2024-07

理解和调节范德华型金属硫代磷酸盐的磁性

分类： 材料科学

作者： Rabindra Basnet, Jin Hu

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00809v1

摘要： 在过去的二十年中，二维（2D）材料的重大进展激发了低维凝聚态和材料物理的研究。虽然传统上是在三维系统中研究磁性，但现在已扩展到二维领域。由于范德华（vdW）型层状磁性材料的原子薄层可实现稳定的磁序，二维磁性的最新突破引起了科学界的极大兴趣。这些进展为研究低维相关现象提供了一个令人兴奋的平台，并为自旋电子学应用带来了希望。因此，具有可调谐磁性的vdW磁性材料引起了人们的广泛关注。具体来说，反铁磁金属硫代磷酸盐 MPX3（M = 过渡金属，P = 磷，X = 硫族元素）已得到广泛研究。这些材料表现出从块体到二维极限的长程磁序。 MPX3 中的磁性源自与过渡金属离子相关的局部矩，使其可通过取代和嵌入进行调节。在这篇综述中，我们通过全面总结各种金属和硫族元素的替代和嵌入研究，以及磁调制机制，以及对这一新兴材料家族的发展的视角，重点关注这种调谐。

范德华异质结构中的超强太赫兹耦合

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 光学

作者： F. Helmrich, I. Khanonkin, M. Kroner, G. Scalari, J. Faist, A. Imamoglu, T. F. Nova

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00189v1

摘要： 强耦合光子-物质系统领域的目标是创造增强或改变材料性能的新型混合相。一个关键的挑战是开发用于探索量子材料的腔量子电动力学（QED）的多功能平台。在这里，我们演示并探测了原子薄范德华材料中的超强光-物质耦合。我们开发了一种宽带时域显微镜，它将剥离、双门控、二维量子材料与太赫兹频率的亚波长光子限制集成在一起。使用双层石墨烯作为模型系统，我们在广泛的频率和栅极电压范围内进行光谱研究。我们首次在太赫兹频率下测量双层石墨烯的场可调带隙，同时观察到超强耦合的清晰特征，相互作用强度超过$\Omega/\omega\约40%$。我们的工作弥合了范德华材料腔 QED 的理论预测和实验实施之间的差距，为进一步研究奇异相和新颖的光物质态铺平了道路。

能量降低对称性破缺在顺磁性 Nb3Cl8 中形成平带绝缘体

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Jia-Xin Xiong, Xiuwen Zhang, Alex Zunger

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00145v1

摘要： 量子材料的普通能带结构计算经常错误地预测金属电子结构，而不是绝缘电子结构，从而激发了莫特-哈伯德强电子关联作为间隙机制。最近，在普通能带理论中允许形成局部结构对称性破坏图案被证明可以降低总能量，同时在观察到绝缘间隙时预测它们。最近指出了一个重要的反例，即 Nb3Cl8 中对称破缺形成的平带本身被部分占据，因此无法解释观察到的绝缘态。这里表明，涉及协同结构效应和磁效应的广义对称性破缺在类平均场密度泛函理论中产生能量降低绝缘相。

机器学习促进稳定纳米固溶体 CuCo 合金的熵工程合成，用于有效地将硝酸盐还原为氨

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Yao Hu, Haihui Lan, Bo Hu, Jiaxuan Gong, Donghui Wang, Wen-Da Zhang, Mo Yan, Huicong Xia, Mingde Yao, Mingliang Du

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00142v1

摘要： 纳米固溶体合金应用广泛，包括催化、储能、医疗应用和传感器技术。不幸的是，由于原子尺寸、熔点和化学亲和力的差异，随着金属元素之间差异的扩大，这些合金的合成变得越来越具有挑战性。本研究采用数据驱动的方法，结合样本平衡增强技术和多层感知器（MLP）算法来提高模型处理不平衡数据的能力，显着提高实验参数优化的效率。在此增强的数据处理框架的基础上，我们开发了一种熵工程合成方法，专门用于生产稳定的纳米铜钴 (CuCo) 固溶体合金。在-0.425 V（vs. RHE）条件下，CuCo合金表现出接近100%的法拉第效率（FE）和232.17 mg h-1 mg-1的高氨生产率。模拟工业环境中的稳定性测试表明，在120小时的测试时间内，该催化剂的FE保持在80%以上，氨产率超过170 mg h-1 mg-1，优于大多数报道的催化剂。为了更深入地研究铜和钴之间的协同相互作用机制，利用原位拉曼光谱进行实时监测，密度泛函理论（DFT）计算进一步证实了我们的发现。这些结果不仅凸显了 CuCo 合金卓越的催化性能，而且反映了两种金属之间有效的电子和能量相互作用。

通过化学成分调节 (PbTiO${3}$)${n}$/(SrTiO${3}$)${m}$ 超晶格中的光致伸缩：一项 $\textit{ab-initio}$ 研究

分类： 材料科学

作者： Carmel Dansou, Charles Paillard, Laurent Bellaiche

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00105v1

摘要： 使用第一原理计算模拟了单域 (PbTiO${3}$)${n}$/(SrTiO${3}$)${m}$ 超晶格中的光致机械变形。通过改变化学分数 PbTiO${3}$，我们发现这些异质结构的光致伸缩行为可以定量和定性地调整。此外，我们提出了简单的分析模型来解释计算的变形并预测没有光致伸缩的临界 PbTiO${3}$ 分数。除了[1]中的报告之外，我们的结果还提出了另一种调整 (PbTiO${3}$)${n}$/(SrTiO${3}$)${m 光致伸缩行为的方法}$ 超晶格，可用于创新的光机械应用。

通过超晶格工程定制光致伸缩

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Carmel Dansou, Charles Paillard, Laurent Bellaiche

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00101v1

摘要： 我们报告了单畴 (PbTiO${3}$)${n}$/(SrTiO${3}$)${n}$ 超晶格 ($n =1-5$）。我们揭示了这些异质结构中的光致伸缩在数量和质量上取决于化学周期 $n$。具体来说，我们表明通过改变化学周期，我们可以诱导 $\textit {positive}$ 或 $\textit {negative}$ 光致伸缩。我们还提出了一个简单的分析模型来解释计算的变形。我们的研究结果表明，超晶格架构可能是设计新型光机械应用的关键。

掺杂过渡金属二硫族化物单层中激子的声子辅助俄歇衰变

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Benedikt Scharf, Vasili Perebeinos

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00097v1

摘要： 辐射寿命和非辐射寿命之间的竞争决定了光学量子产率，并在过渡金属二硫属化物（TMDC）的潜在光电应用中发挥着至关重要的作用。在这里，我们表明，在存在自由载流子的情况下，TMDC 单层中的激子会打开一个额外的非辐射衰变通道。尽管通常的俄歇衰变通道在低掺杂水平下受到同时动量和能量守恒定律的抑制，但激子-声子耦合放松了这种抑制。通过求解 Bethe-Salpeter 方程，我们计算了四种典型 TMDC 中的声子辅助俄歇衰减率，作为掺杂、温度和介电环境的函数。我们发现，即使对于相对较低的掺杂量 10$^{12}$ cm$^{-2}$，不同 TMDC 的非辐射寿命范围也在 16 ps 到 165 ps 之间，这为辐射衰变通道提供了竞争。

弱$\mathbb{Z}_2$超级拓扑

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Kirill Parshukov, Moritz M. Hirschmann, Andreas P. Schnyder

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00042v1

摘要： 晶体对称性可以强制材料的所有能带都是拓扑的，这种特性通常被称为“超拓扑”。在这里，我们确定了具有弱和强自旋轨道耦合（SOC）的非磁性中心对称材料的强制对称 $\mathbb{Z}_2$ 超拓扑。对于弱（即可忽略不计）SOC，晶体对称性可以强化由 $\pi$-Berry 相保护的狄拉克节点线，而对于强 SOC，晶体对称性可以在 $\mathbb{Z}_2$ 中产生非平凡的弱拓扑3D 布里渊区的 2D 子平面。我们对所有中心对称空间群进行分类，这些空间群的对称性强制执行这些 $\mathbb{Z}_2$ 超拓扑。确定了合适的材料实现，并讨论了超级拓扑的实验特征，例如量子自旋霍尔态。

锗基单斜辉石系列：第一原理和实验局部探针研究

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Ricardo P. Moreira, E. Lora da Silva, Gonçalo N. P. Oliveira, Pedro Rocha-Rodrigues, Alessandro Stroppa, Claire V. Colin, Céline Darie, João G. Correia, Lucy V. C. Assali, Helena M. Petrilli, Armandina M. L. Lopes, João P. Araújo

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21749v1

摘要： CaMnGe$_2$O$_6$ 和 SrMnGe$_2$O$_6$ 单斜辉石体系的结构和电子性质已通过 ISOLDE 进行的扰动角相关 (PAC) 测量与 $ab-initio 相结合进行了研究$ 密度泛函理论 (DFT) 框架内的电子结构计算。 CaMnGe$_2$O$_6$ 和 SrMnGe$_2$O$6$ 稳定化合物的部分态密度 (PDOS) 已确定，并且已观察到需要包括现场哈伯德-$为了描述高度相关的 Mn $3d$ 状态，U$ 势是必要的。通过考虑$U{eff}$=4 eV，我们得到CaMnGe$_2$O$_6$和SrMnGe$_2$O$_6$的带隙宽度分别为1.82 eV和1.70 eV。结合电场梯度 (EFG) 第一原理计算、使用超级电池方案和实验 PAC 结果，我们能够推断出 Cd 探针可以取代晶体结构中的 $A$（Ca、Sr）或 Mn 位点。我们还表明，镉替代预计会导致这些系统中带隙宽度的减小，这证明了潜在带隙工程的机会。

用于凝聚态实验的简洁 40 T 脉冲磁体

分类： 材料科学

作者： Akihiko Ikeda, Kosuke Noda, Kotomi Shimbori, Kenta Seki, Dilip Bhoi, Azumi Ishita, Jin Nakamura, Kazuyuki Matsubayashi, Kazuto Akiba

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21736v1

摘要： 在凝聚态物理、粒子物理、等离子体物理、化学和生物学研究等各种科学学科中，人们越来越关注使用脉冲高磁场作为物理现象的控制参数。我们设计了一种简洁的便携式脉冲磁场发生器，可产生 40 T 的磁场，脉冲持续时间为 2 ms。它仅使用现成的组件和利用小型计算机、Raspberry Pi 和 Python 代码的自制线圈进行组装。它允许针对通用目的进行直接修改。作为工作示例，我们展示了石墨、NdNi${2}$P${2}$ 和 NdCo${2}$P${ 的磁阻、磁化和磁致伸缩测量在凝聚态物质实验中的代表性应用2}$，最大磁场为41 T，最低温度为4.2 K。

具有规则间隔的溴化基团的聚乙烯中量子化层状增厚的分子模拟

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Kutlwano Gabana, Gillian A. Gehring, Hendrik Meyer, Goran Ungar, Xiangbing Zeng, William S. Fall

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21728v1

摘要： Tasaki 等人观察到，聚乙烯 (PE) 链上的 CH2 基团定期被 CBr2 取代（“精密 PE”），其表现出由对量化折叠长度的偏好驱动的竞争性多晶型物。受这一最新发现的启发，使用分子动力学模拟研究了这种精密 PE 链（400 个碳长，每个 21 个碳上定期放置 CBr2 基团）的结晶行为。 PE 的联合单体模型扩展到包括二溴基团，溴的空间冲突反映在三井弯曲势中，证明了其作为首选折叠位点的功能。不同的结晶方案、连续冷却和自接种，显示出截然不同的晶体。使用自接种，晶体层状厚度随着温度单调增加，以二溴单元之间距离的量化倍数增加。观察到聚合物链优先在二溴基团处折叠，并且此类基团似乎在晶体片层内是可耐受的。淬灭时，溴聚集形成记录层，与液晶中观察到的近晶相不同，这证实了竞争性 I 型和 I' 型多晶型物的实验观察。

通过剥离石墨作为离子扩散阻挡层的稳定钙钛矿太阳能电池

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Abdullah S. Alharbi, Miqad S. Albishi, Temur Maksudov, Tariq F. Alhuwaymel, Chrysa Aivalioti, Kadi S. AlShebl, Naif R. Alshamrani, Furkan H. Isikgor, Mubarak Aldosari, Majed M. Aljomah, Konstantinos Petridis, Thomas D. Anthopoulos, George Kakavelakis, Essa A. Alharbi

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21662v1

摘要： 金属卤化物钙钛矿、电荷传输层和电极中的离子和金属扩散不利于基于钙钛矿的光伏器件的性能和稳定性。因此，人们对开发新型缺陷和离子扩散缓解策略产生了浓厚的研究兴趣。我们提出了一种简单、低成本、可扩展且高效的方法，该方法使用喷涂的剥离石墨夹层来阻止钙钛矿、空穴传输材料和金属电极内的离子和金属扩散以及湿气进入。通过X射线衍射、飞行时间二次离子质谱、扫描电子显微镜、原子力显微镜、电流-质谱法等多种方法研究了插入剥离石墨薄膜对结构、表面形貌和光电性能的影响。电压（J-V）特性、瞬态光电流和瞬态光电压。我们的综合研究发现，剥离石墨膜减少了层间的 I- 和 Li+ 扩散，从而减少了缺陷，减少了非辐射复合，并增强了器件的稳定性。因此，性能最佳的器件表现出 25% 的功率转换效率和超过 80% 的填充因子。此外，这些设备经过了不同的寿命测试，显着提高了运行稳定性。

多铁性 NiI$_2$ 中磁振子的电气控制

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Andrey Rybakov, Adolfo O. Fumega, Dorye L. Esteras, Jose L. Lado, José J. Baldoví

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21645v1

摘要： 层状范德华二维 (2D) 磁体是超薄自旋电子和磁振子器件的基石。最近在 NiI$_2$ 中发现具有强磁电耦合的二维多铁性材料，为自旋波输运的电控制提供了一个有前途的平台。在这项工作中，我们使用从头计算，研究了如何使用外部电场控制单层 NiI$_2$ 的磁振子特性。我们证明，铁电极化的出现导致磁振子谱中的能量分裂，从而建立了一种通过实验检测电极化的方法。我们还展示了由于强磁电耦合而产生的电场对磁振子分裂和磁振子 DOS 中奇点的能量位置的调制。我们的结果强调了范德华多铁性中铁电性和磁振子之间的相互作用，并为设计二维极限下的电可调磁性器件铺平了道路。

空间变化预应力下的非稳态滑移脉冲

分类： 材料科学, 软凝聚态物质, 模式形成和孤子, 地球物理学

作者： Anna Pomyalov, Eran Bouchbinder

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21539v1

摘要： 最近发现，均匀预应力 $\tau_b$ 下的自愈滑移脉冲是不稳定的摩擦破裂模式，即它们随着时间 t 缓慢膨胀/衰减。此外，它们的动力学显示遵循降维描述，对应于由脉冲传播速度 $c(t)$ 和尺寸 $L(t)$ 定义的平面中的特殊 $L(c)$ 线。然而，均匀预应力在自然断层中只是例外而不是规则。我们研究了空间变化的预应力 $\tau_b(x)$ 对二维滑移脉冲的影响，该脉冲最初是在沿着速率和状态摩擦断层的均匀 $\tau_b$ 下生成的。我们考虑参考均匀 $\tau_b$ 周围的周期性和恒定梯度预应力 $\tau_b(x)$。对于周期性的$\tau_b(x)$，脉冲要么在$L-c$平面中维持并形成准极限循环，要么主要沿着$L(c)$线单调衰减，具体取决于初始脉冲的不稳定性指数和周期 $\tau_b(x)$ 的性质。对于恒定梯度 $\tau_b(x)$，扩展/衰减脉冲紧密遵循 $L(c)$ 线，系统偏移由梯度的符号和大小决定。我们还发现空间变化的$\tau_b(x)$可以恢复初始参考脉冲的扩展/衰减性质。最后，我们表明，具有足够大小和特定符号的恒定梯度 $\tau_b(x)$ 可以导致初始脉冲愈合尾部反向传播破裂的成核，产生双边裂纹状破裂。这种脉冲到裂纹的转变以及上述效应表明，丰富的破裂动力学是由简单的、不均匀的预应力合并而成的。此外，我们表明，只要脉冲存在，它们的动力学就与特殊的 $L(c)$ 线相关，从而为空间变化的预应力下的非稳态滑移脉冲提供有效的降维描述。

GPU集群上高性能Fock矩阵构建的先进技术

分类： 计算物理, 材料科学, 化学物理, 量子物理学

作者： Elise Palethorpe, Ryan Stocks, Giuseppe M. J. Barca

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21445v1

摘要： 本文基于 Ufimtsev 等人的工作，提出了两种用于 Fock 矩阵构建的优化多 GPU 算法。和巴萨等人。新颖的算法 opt-UM 和 opt-Brc 引入了显着的增强功能，包括改进的积分筛选、稀疏性和对称性的利用、线性缩放交换矩阵组装算法以及高达 $f$ 类型的 Hartree-Fock 计算的扩展功能角动量函数。 Opt-Brc 适合较小的系统和高度收缩的三$\zeta$ 基组，而 opt-UM 则适合大型分子系统。 NVIDIA A100 GPU 的性能基准测试表明，我们在超大规模电子结构系统 (EXESS) 中的算法组合后，性能优于 TeraChem、QUICK、GPU4PySCF、LibIntX、ORCA 和 Q-Chem 中所有当前 GPU 和 CPU Fock 构建实现。这些实现在线性和球状系统上进行了基准测试，与 TeraChem、GPU4PySCF、和快速分别。强大的扩展分析显示，opt-Brc 在四个 GPU 上的并行效率超过 91%，这使得多 GPU 执行速度通常更快。与 ORCA 和 Q-Chem 等基于 CPU 的软件的单计算节点比较显示，加速分别高达 42$\times$ 和 31$\times$，电源效率提高高达 18$\times$。

具有天然体范德华异质结构的 6R-TaS2 中超导性的压力诱导非单调演化

分类： 超导, 材料科学, 强关联电子

作者： Shaopeng Wang, Yuyan Han, Sutao Sun, Shuyang Wang, Chao An, Chunhua Chen, Lili Zhang, Yonghui Zhou, Jian Zhou, Zhaorong Yang

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21427v1

摘要： 天然块状范德华异质结构化合物 6R-TaS2 由交替堆叠的 1T- 和 1H-TaS2 单层组成，创建了一个独特的系统，在不同的单层中结合了电荷密度波 (CDW) 有序性和超导性 (SC)。在这里，在确认 6R-TaS2 中晶格的二维性质在高达 8 GPa 的压力下得以保留后，我们通过进行高压电子输运测量记录了 CDW 和 SC 的不寻常演化。压缩后，我们观察到 1T 层内 CDW 逐渐受到抑制，而 SC 表现出圆顶形行为，在 2.9 GPa 左右的临界压力 Pc 处终止。考虑到 SC 的显着抑制伴随着 Pc 处 CDW 有序的完全崩溃，我们认为 6R-TaS2 的行为就像一堆约瑟夫森结，因此超导性受到抑制可归因于约瑟夫森耦合与 1T 层中 CDW 波动的存在相关。此外，SC 反向增强高于 Pc，这意味着在 T 层 CDW 有序熔化后，1T 层中出现了突现超导性。这些结果表明，6R-TaS2 不仅为探索新兴现象提供了一个有前途的平台，而且还可以作为研究竞争电子态之间复杂相互作用的模型系统。

Cu/Al$_2$O$_3$多层薄膜的异常应变率敏感性

分类： 材料科学

作者： Szilvia Kalácska, László Pethő, Guillaume Kermouche, Johann Michler, Péter Dusán Ispánovity

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21392v1

摘要： 为了研究铜多晶微结构的尺寸和应变率依赖性，使用混合沉积系统（结合物理气相和原子层沉积）在硅基板上沉积多层铜/Al$_2$O$_3$薄膜。对具有超细晶粒结构的“As Deposited”材料进行高温处理，以增加平均晶粒尺寸，从而形成具有微晶结构的“Heat Treated”状态。采用聚焦离子束铣削来创建具有两种不同尺寸的方形微柱，并在不同（0.001/s - 1000/s）应变率下承受压缩载荷。在高应变率下出现的应变率敏感性行为中检测到的两个明显异常可能与变形样品的柱直径和晶粒尺寸有关。通过透射电子显微镜研究的 Al$_2$O$_3$ 中间层表现出优异的热稳定性和沉淀引起的晶界钉扎，也导致柱的均匀变形并防止剪切局部化。通过高（角）分辨率电子背散射衍射估计的几何必要位错密度在变形柱体积内呈现出不均匀的位错分布，这归因于样品边缘的接近。最后，Al$_2$O$_3$ 中间层成功地抑制了任何可能的再结晶过程，从而实现了优异的薄膜稳定性，这使得所提出的涂层非常适合在极端条件下运行。

根据第一原理计算对两个 $\text{Na}_6\text{Ge}_2\text{Se}_6$ 相的结构、弹性、电子、声子、热和光学性质进行比较分析

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Qi Zhang, Amitava Choudhury, Aleksandr Chernatynskiy

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21350v1

摘要： 由于新型碱金属硫属化物材料在各个技术领域的潜在应用，对它们的需求不断增加。最近，通过计算预测了一种新化合物 $\text{Na}_6\text{Ge}_2\text{Se}_6$，它代表了与实验观察到的 $\text{Na}_6\text{ 不同的新相Ge}_2\text{Se}_6$ 于 1985 年报道。值得注意的是，根据第一性原理计算确定，与之前已知的实验相相比，这种新预测的相显示出较低的总能量。在这项研究中，我们对这两个 $\text{Na}_6\text{Ge}_2\text{Se}_6$ 相的结构、弹性、电子、声子、热和光学性质进行了彻底的比较分析。我们的结果表明，两个相都满足机械和动态稳定性标准。电子能带结构分析证实了两种材料的半导体性质，预测相的间接带隙为 2.97 eV，观察相的直接带隙为 2.93 eV。光学上，两相在紫外区域均表现出强吸收。热性质分析表明，预测相在低于 907 K 时热力学更加稳定，而观测相在高于该温度时表现出更高的热力学稳定性。

一种面向对称的刚体晶体晶体结构预测方法

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Qi Zhang, Amitava Choudhury, Aleksandr Chernatynskiy

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21337v1

摘要： 我们开发了一种针对所需化学成分的有效晶体结构预测 (CSP) 方法，特别适合具有重复分子或刚体的化合物。我们将此方法应用于两种金属硫属化物：$\text{Li}_3\text{PS}_4$ 和 $\text{Na}_6\text{Ge}_2\text{Se}_6$，处理 $\text{ PS}_4$ 作为四面体刚体，$\text{Ge}_2\text{Se}_6$ 作为类乙烷二聚体刚体。初步试验不仅确定了这些化合物的实验观察到的结构，而且还发现了几个新的相，包括新的锡石型 $\text{Li}_3\text{PS}_4$ 结构和 $\text{ 的潜在亚稳态结构通过密度泛函理论 (DFT) 计算评估，Na}_6\text{Ge}_2\text{Se}_6$ 的能量明显低于观察到的相。我们将我们的结果与使用 USPEX（一种利用遗传算法的流行 CSP 包）获得的结果进行了比较。两种方法都预测两种化合物具有相同的最低能量结构。然而，我们的方法在预测亚稳态结构方面表现出了更好的性能。该方法使用 Python 代码实现，可从 https://github.com/ColdSnaap/sgrcsp.git 获取。

用于可重构光伏和成像应用的菱形堆叠 InSe 的多重滑动铁电

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Qingrong Liang, Guozhong Zheng, Liu Yang, Shoujun Zheng

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21270v1

摘要： 通过二维（2D）材料的堆叠工程，可以通过层间滑动产生可切换的界面极化，即所谓的滑动铁电性，与传统铁电性相比，具有超薄的厚度、高切换速度和低疲劳等优点。然而，具有本征滑动铁电性的二维材料仍然很少见，菱形堆叠的MoS2除外，它限制了滑动铁电性在高速存储、光伏和神经形态计算等实际应用中的应用。在这里，我们报道了通过双频共振跟踪压响应力显微镜、扫描开尔文探针显微镜和导电原子力显微镜观察到未掺杂菱面体堆叠InSe（{\gamma}-InSe）中多态滑动铁电性。在石墨烯/{\gamma}-InSe/石墨烯隧道器件中实现了通过电场调节的体光伏效应，光伏电流密度约为15 mA/cm2，这归因于{\gamma}中的多个滑动步骤-InSe 根据我们的理论计算。 vdw 隧道设备还具有约 255 A/W 的高光响应度和实时成像的快速响应时间。我们的工作不仅丰富了用于滑动铁电性的菱形堆叠二维材料，而且还揭示了它们在可调谐光伏和成像应用中的潜力。

自缓冲BaZr(S,Se)$_3$外延薄膜界面的原子结构

分类： 材料科学

作者： Michael Xu, Kevin Ye, Ida Sadeghi, Rafael Jaramillo, James M. LeBeau

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21269v1

摘要： 通过界面设计了解和控制硫族化物钙钛矿薄膜的生长对于定制薄膜性能非常重要。在这里，使用像差校正扫描透射电子显微镜解析了通过分子束外延和生长后阴离子交换在 LaAlO$_3$ 上生长的 BaZr(S,Se)$_3$ 薄膜的薄膜和界面结构。外延薄膜是通过界面“缓冲”层的自组装获得的，该层可适应此处研究的合金薄膜近 40% 的大薄膜/基底晶格失配。生长的硫化物和硒化后合金薄膜中出现的自组装缓冲层显示出具有类似于 Ruddlesden-Popper 相的岩盐状原子堆叠。在此缓冲之上，薄膜迅速转变为钙钛矿结构。总的来说，这些结果提供了对氧化物硫族化物异质外延薄膜生长的见解，说明了产生松弛、结晶、外延硫族化物钙钛矿薄膜的过程，该薄膜支持正在进行的光电和器件特性研究。

范德华异质结构中的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用扭矩和畴壁动力学

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 强关联电子

作者： Jun Chen, Churen Gui, Shuai Dong

发布时间： 2024-07-31

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21254v1

摘要： 自从二维铁电和铁磁材料发现以来，由铁电和铁磁单层构建的范德华（vdW）异质结构很快成为在纳米尺度上实现逆磁电功能（即利用电场控制磁化强度）的理想平台。在本文中，我们通过密度泛函理论计算和原子自旋模型的动态模拟，研究了界面Dzyaloshinshii-Moriya相互作用（DMI）在CrI$_3$-In$_2$Se$_3$ vdW异质结构中的关键作用。我们的工作展示了通过铁电开关泵送的可行的 DMI 扭矩，它可以驱动无电流且低能耗的磁畴壁运动。此外，这种界面DMI还可以显着扩大磁场驱动畴壁技术中的沃克场。

超弹性纳米柱的双峰缩放定律和尺寸效应

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Mostafa Karami, Xian Chen

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21246v1

摘要： 形状记忆合金可以变形然后弹回原来的形状，在医疗领域有着广泛的应用，从心脏瓣膜到支架。随着我们突破技术界限，为精细手术治疗创造更小、更精确的工具，这些合金在微小尺度上的行为变得越来越重要。在这项研究中，我们发现应力诱导相变所需的临界应力的尺寸效应并不普遍。我们提出了一种与方向相关的功率衰减定律，表明对于标称软 [001] 和硬 [111] 方向，小于 1 微米的柱的临界应力会具体增加。此外，我们在高应力 (2 GPa) 下通过 200 nm 尺度的晶格挫败观察到具有 11% 可恢复应变的高可变形性。这项研究为探索纳米器件形状记忆合金的卓越弹性行为开辟了新途径。

描述、转换、机器学习：晶界和其他可变大小原子簇的特征工程

分类： 材料科学, 计算物理

作者： C. Braxton Owens, Nithin Mathew, Tyce W. Olaveson, Jacob P. Tavenner, Edward M. Kober, Garritt J. Tucker, Gus L. W. Hart, Eric R. Homer

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21228v1

摘要： 获得晶界的微观结构-性质关系具有挑战性，因为其行为背后存在复杂的原子结构。这导致最近人们努力通过机器学习来获得这些关系，但以适合机器学习的方式表示晶界结构并不是一项简单的任务。晶界和其他可变尺寸原子簇结构的性质预测共有三个关键步骤。它们是：（1）将原子结构描述为特征矩阵，（2）将不同结构的可变大小特征矩阵转换为所有结构共有的固定长度，以及（3）应用机器学习来预测转换后的属性特征矩阵。我们检查这些特征工程步骤，以了解它们如何影响晶界能量预测的准确性。包含 7000 多个晶界的数据库用于评估不同的特征工程组合。我们还研究了这些工程特征的组合如何提供可解释性，或者从获得的结构-性能关系中提取有洞察力的物理的能力。

石英玻璃缺陷产生的时钟转换

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Brendan C. Sheehan, Guanchu Chen, Jonathan R. Friedman

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21214v1

摘要： 自旋系统中的时钟跃迁 (CT) 发生在避免的能级交叉处，可提高量子相干寿命 T$_2$，因为该跃迁不受一阶磁场波动的退相干效应影响。我们首次对某些富含缺陷的石英玻璃中的 CT 进行电子自旋共振 (ESR) 表征，注意到 CT 的相干时间高达 16 $\mu$s。我们在硼硅酸盐和铝硅酸盐玻璃中发现了零磁场下的 CT 行为，但在各种缺乏硼或铝的石英玻璃中却没有发现。退火减少或消除零场信号。由于硼和铝具有相同的价态，并且在取代硅时是受主，因此我们认为观察到的 CT 行为可能是由硼硅酸盐玻璃中的自旋 1 硼空位中心产生的，类似地，铝硅酸盐玻璃中的铝空位中心也可以产生这种行为。 。

圆柱形MnAs/PZT磁电复合材料中磁热效应的电场控制

分类： 材料科学

作者： Abdulkarim A. Amirov, Maksim A. Koliushenkov, Abdula A. Mukhuchev, Dibir M. Yusupov, Valeriya V. Govorina, Dmitriy S. Neznakhin, Gennady A. Govor, Akhmed M. Aliev

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21201v1

摘要： 在圆柱形磁电复合材料 MnAs/PZT 上证明了通过逆压电效应产生的准等静压压缩来控制磁热效应的电场的可能性。结果表明，施加到 MnAs/PZT 复合材料压电元件 PZT 壁上的 100 V 电压（对应于 E ~0.3 kV/mm 的电场）有助于最大绝热温度变化增加 0.2 K在 1.8 T 磁场变化下，MnAs 磁结构相变的温度范围为 ~317 K。有限元法计算表明，100 V 的电场电压能够在 MnAs 磁结构相变温度范围内产生准等静压机械应力。约 3 MPa 的圆柱形 PZT 管内的区域。此外，在高达 10 MPa 的弱压力区域，压电压缩对 MCE 的贡献线性取决于可用于控制 MCE 的电压

基于低维片段的描述符，用于通过机器学习预测无机材料的性能

分类： 材料科学, 数据分析、统计和概率

作者： Md Mohaiminul Islam

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21146v1

摘要： 近年来，机器学习在材料设计和发现中的应用有助于加速具有非凡性能的创新材料的发现，否则这些材料将通过费力且耗时的试错过程来驱动。在这项研究中，提出了一种简单而强大的基于片段的描述符，即低维片段描述符（LDFD），与机器学习模型结合使用，以预测各种无机材料的重要特性，例如钙钛矿氧化物、金属卤化物钙钛矿、合金、半导体和其他材料系统，还可以扩展到与接口一起工作。为了预测属性，描述符的生成仅需要材料的结构式，并且在数据集中存在相同结构的情况下，还需要额外的系统属性作为输入。并且描述符的生成涉及很少的步骤，在二进制空间中对公式进行编码并降低维度，从而可以轻松实现和预测。为了评估描述符性能，对六个已知数据集（最多八个组件）进行了比较。该方法应用于钙钛矿和半导体的带隙、磁性合金的晶格常数、超硬合金的体积/剪切模量、超导体的临界温度、钙钛矿氧化物的形成焓和壳凸以上能量等性质。使用基于Python的先进数据挖掘工具matminer来收集数据。预测精度与训练数据的质量相当，并且显示出与之前的研究相当的有效性。这种方法应该可以扩展到任何可以细分为具有多个原子位点的层或晶体结构的无机材料系统，并且随着数据挖掘的进展，随着更大且无偏差的数据集，性能应该会变得更好。

激子裂变增强硅太阳能电池

分类： 材料科学, 化学物理

作者： Narumi Nagaya, Kangmin Lee, Collin F. Perkinson, Aaron Li, Youri Lee, Xinjue Zhong, Sujin Lee, Leah P. Weisburn, Tomi K. Baikie, Moungi G. Bawendi, Troy Van Voorhis, William A. Tisdale, Antoine Kahn, Kwanyong Seo, Marc A. Baldo

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21093v1

摘要： 虽然硅太阳能电池在全球光伏能源生产中占据主导地位，但其持续改进受到单结限制的阻碍。一种潜在的解决方案是利用分子单线态激子裂变从每个吸收的高能光子产生两个电子。我们证明，使用顺序电荷转移可以克服将分子激发态耦合到硅太阳能电池的长期挑战。结合锌酞菁、氧化铝和浅结晶体硅微线太阳能电池，并四苯吸收的每个光子的峰值电荷产生效率为 (138 ± 6)%，轻松超过了传统硅太阳能电池的量子效率极限，并建立了低成本、高效率光伏发电的新的、可扩展的方法。

利用机器学习潜力进行镁中的氢扩散

分类： 材料科学, 其他凝聚态物质, 化学物理, 计算物理

作者： Andrea Angeletti, Luca Leoni, Dario Massa, Luca Pasquini, Stefanos Papanikolaou, Cesare Franchini

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21088v1

摘要： 由于氢缺陷与晶格之间复杂的相互作用，理解并准确预测材料中的氢扩散具有挑战性。这些相互作用跨越很大的长度和时间尺度，使得它们很难用标准的从头算技术来解决。这项工作通过主动学习采用加速机器学习 (ML) 分子动力学模拟来解决这一挑战。我们利用动态学习、预训练通用模型和微调等各种训练策略，对不同的基于 ML 的原子间势方案（包括 VASP、MACE 和 CHGNet）进行了比较研究。我们在 MgH(_{0.06}) 中获得了 673 K 时的最佳氢扩散系数值为 (2.1 \cdot 10^{-8}) m(^2)/s，这与实验结果，强调了机器学习辅助方法在扩散动力学背景下的有效性和准确性。特别是，我们的程序显着减少了与传统过渡态计算或专门设计的原子间势相关的计算工作量。结果强调了针对缺陷材料的预训练通用解决方案的局限性以及如何通过微调来改进它们。具体来说，对 VASP ML 力场动态训练期间生成的数据库上的模型进行微调，可以以一小部分计算成本检索 DFT 级别的精度。

汞侵入压实粘土的 X 射线显微断层扫描：深入了解大孔的几何形状

分类： 材料科学, 经典物理学

作者： Shengyang Yuan, Xianfeng Liu, Yongxin Wang, Pierre Delage, Patrick Aimedieu, Olivier Buzzi

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21083v1

摘要： 土壤特性，例如湿塌陷行为和渗透性，与土壤微观结构密切相关。迄今为止，包括压汞孔隙率测定法（MIP）在内的多种技术可用于表征土壤的微观结构，但所有技术都有其自身的局限性。在本研究中，通过 X 射线显微断层扫描 (X-$\mu$CT) 研究了通过 MIP 测试渗透并被捕获在样本孔隙网络中的汞的特征，以便深入了解其几何形状大孔和可能的墨水瓶几何形状。对于压实的马里兰粘土，选择了含水量和密度两个条件。对 MIP 后微观结构中捕获的汞的分布和几何特征进行了表征，并重建了孔径分布。结果表明，在本文研究的两种条件下，大孔在样本内均匀分布，并且大多数为非球形，并且具有纵横比（沿给定段的最大厚度与最小厚度之比）小于三。由于测试中使用的特定实验方案和墨水瓶几何形状的影响，从 MIP 和 X-$\mu$CT 获得了不同的大孔主要入口孔径。由于X-$\mu$CT减压及后续制样过程中汞的挤出，导致X-$\mu$CT只能成像高纵横比的大孔体。但在 MIP 中整个孔隙空间都可以进入。对于具有较低孔隙比的样品，由于更明显的长宽比，主要入口孔径的差异更为显着。

利用原子力显微镜对过渡金属二硫属化物进行多材料分类的迁移学习

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Isaiah A. Moses, Wesley F. Reinhart

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20975v1

摘要： 深度学习模型广泛用于基于原子力显微镜（AFM）和其他扫描探针显微镜的材料的数据驱动设计。这些工具提高了材料逆向设计和表征的效率。然而，通常可用的实验材料数据有限且不平衡是一个重大挑战。同样重要的是需要解释经过训练的模型，这些模型通常非常复杂，人类无法解释。在这里，我们对迁移学习策略进行了系统评估，以适应材料合成中的低数据场景，并进行了模型潜在特征分析，以建立与样本的人类可解释特征的联系。我们的模型显示了五类过渡金属二硫化物 (TMD)（MoS$_2$、WS$_2$、WSe$_2$、MoSe$_2$ 和 Mo-WSe$_2$）的准确预测，预测精度高达 89$\保留测试样本的%$准确度。对潜在特征的分析揭示了与颗粒密度、DoG 斑点和局部变化等物理特征的相关性。迁移学习优化模式以及对潜在特征和物理特征之间相关性的探索提供了重要的框架，可以应用于TMD之外的其他类别材料，以增强模型的性能和可解释性，从而加速技术应用材料的逆向设计。

设计和预测 MPd$_5$I$_2$ 的四方范德华层状量子材料（M=Ga、In 和 3d 过渡金属）

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Niraj K. Nepal, Tyler J. Slade, Joanna M. Blawat, Andrew Eaton, Johanna C. Palmstrom, Benjamin G. Ueland, Adam Kaminski, Robert J. McQueeney, Ross D. McDonald, Paul C. Canfield, Lin-Lin Wang

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20938v1

摘要： 具有堆叠范德华（vdW）层的量子材料可以承载非平凡的能带结构拓扑和磁性，已经显示出许多有趣的特性。在这里，我们利用高通量密度泛函理论计算，设计并预测了 MPd$_5$I$_2$ 结构（M=Ga、In 和 3d 过渡金属）中的四方 vdW 层状量子材料。我们的研究表明，除了已知的 AlPd$_5$I$_2$ 之外，由两个 I 层分隔的三层板的 -MPd$_5$- 结构图案可以容纳多种金属元素，从而产生拓扑有趣的特征和高度块体和单层二维结构中的可调磁特性。其中，TiPd$_5$I$_2$ 和 InPd$_5$I$_2$ 分别拥有一对狄拉克点和可能的强拓扑绝缘体态，分别位于顶价带上方和下方的带流形，其单层可能承载量子自旋霍尔态。 CrPd$_5$I$_2$ 是一种具有较大面外磁各向异性能量的铁磁体，非常适合不含稀土的永磁体。

BMach：通过机器学习优化 DFT+U 中的 Hubbard U 参数的贝叶斯机器

分类： 计算物理, 材料科学, 强关联电子

作者： Ritwik Das

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20848v1

摘要： 准确确定密度泛函理论加 U (DFT+U) 中的有效哈伯德参数 $(U_{eff})$ 仍然是一个重大挑战，通常依赖于经验方法或线性响应理论，而这些方法常常无法预测准确的材料特性。本研究引入了 BMach，这是一种先进的贝叶斯优化算法，该算法通过结合带隙和特征值等电子特性以及晶格参数等结构特性来细化 $U_{eff}$。与传统方法相比，在 Quantum Espresso 平台内实施的 BMach 表现出卓越的准确性并降低了计算成本。 BMach 优化的 $U_{eff}$ 值产生与实验和高水平理论结果密切相关的电子特性，为高通量材料发现和跨不同材料系统的详细电子特性表征提供了一个强大的框架。

有机太阳能电池中的激子解离：嵌入式电荷转移态模型

分类： 材料科学

作者： Jouda Jemaa Khabthani, Khouloud Chika, Alexandre Perrin, Didier Mayou

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20839v1

摘要： 有机太阳能电池是可再生能源的一个有前途的途径，我们的研究引入了一个综合模型来研究供体-受体界面处的激子解离过程。通过检查电荷转移态 (CTS) 下的量子效率和发射声子，我们探索了 CTS 之外的环境变化和排斥/吸引势等场景。供体-受体界面显着影响注射过程，而 CTS 之外的环境影响最小。有吸引力的电势可以在受主带下方的界面处产生局域电子态，而不必妨碍较高能量下的良好注入。探索不同的重组过程，包括受体侧和供体侧重组，呈现能量注入与重组率的不同阶段。我们的研究强调了复合类型在确定量子效率以及热或冷电荷转移态的存在方面的重要作用。最后，根据供体侧电子的初始能量，呈现出三种不同的注入方式。本模型应有助于优化有机光伏电池界面，突出增强性能的关键参数相互作用。

氟化自组装单层的双面集成可增强倒置钙钛矿太阳能电池的稳定性

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Ekaterina A. Ilicheva, Polina K. Sukhorukova, Lev O. Luchnikov, Dmitry O. Balakirev, Nikita S. Saratovsky, Andrei P. Morozov, Pavel A. Gostishchev, S. Yu. Yurchuk, Anton A. Vasilev, Sergey S. Kozlov, Sergey I. Didenko, Svetlana M. Peregudova, Dmitry S. Muratov, Yuriy N. Luponosov, Danila S. Saranin

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20690v1

摘要： 由于离子簇的积累、非辐射复合和电化学腐蚀，微晶吸收体的空穴和电子传输界面处的陷阱和结构缺陷限制了钙钛矿太阳能电池（PSC）的效率和长期稳定性。使用自组装单层（SAM）的表面工程被认为是修饰电荷收集结的有效策略。在这项工作中，我们展示了第一份关于用于 p-i-n PSC 双面钝化的 SAM 复杂集成的报告。将新型 5-(4-[双(4-氟苯基)氨基]苯基)噻吩-2-羧酸 (FTPATC) 作为氟化 SAM 集成在空穴传输界面，减少了吸收器中的势垒和晶格应力。在电子传输侧，FTPATC 与钙钛矿分子的 A 位阳离子（Cs，甲脒）相互作用，诱导偶极子以补偿缺陷。使用氟化 SAM 的钝化方法可将输出性能提高高达 22.2%。双面钝化的主要优势是在连续光浸泡（1 太阳当量，65℃，ISOS-L-2）下增强的稳定性，在 1680 小时内保持初始性能的 88%，并且在90°C 的严酷加热。

有机-无机杂化钙钛矿中的取向紊乱和分子相关性：从基本见解到技术应用

分类： 材料科学

作者： Carlos Escorihuela-Sayalero, Ares Sanuy, Luis Carlos Pardo, Claudio Cazorla

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20672v1

摘要： 近年来，杂化有机-无机钙钛矿（HOIP）作为一种极具前景的半导体材料出现，可用于广泛的光电和能源应用。然而，有机成分的旋转动力学和许多分子相互依赖性可能会强烈影响 HOIP 的功能特性，但尚未完全了解。在本研究中，我们通过进行全面的分子动力学模拟和熵计算，定量分析了原型钙钛矿 CH${3}$NH${3}$PbI${3}$ (MAPI) 中的取向无序和分子相关性。我们发现，除了通常的振动和取向贡献之外，围绕 C-N 轴的刚性分子旋转以及相邻分子之间的相关性也显着有助于与 MAPI 中温度诱导的有序-无序相变相关的熵增量，$\Delta S {t}$。分子构象变化在低$T$有序相和高$T$无序相中同样罕见，并且对$\Delta S_{t}$没有影响。相反，在高$T$无序相中，角度自由度和振动自由度之间的耦合显着增强，并显着抵消其他因素导致的相变熵增加。此外，相邻分子定向有序的趋势是明显局部的，因此在低温和高温下都抑制了广泛的极性纳米域的形成。这项理论研究不仅增进了 HOIP 的基础知识，而且还与光伏和固态冷却等当代技术应用建立了物理上富有洞察力的联系。

剖析 bcc 铁中碳有序的物理原理

分类： 材料科学

作者： Sam Waseda, Tilmann Hickel, Julien Morthomas, Patrice Chantrenne, Michel Perez, Jörg Neugebauer

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20649v1

摘要： 齐纳有序是八面体间隙原子（例如碳）占据bcc矩阵（例如铁）内的相同亚晶格的现象。最初的公式依赖于平均场理论，该理论至今仍被广泛使用。我们采用多种方法，例如分子动力学、大都会蒙特卡罗、具有化学相互作用和有限温度效应的平均场理论，以表明铁碳系统的齐纳有序性受局部化学相互作用和有限温度效应的控制，而较少受平均场性质的影响正如齐纳最初描述的那样。

3D 非晶固体中的刺猬拓扑缺陷

分类： 软凝聚态物质, 无序系统和神经网络, 材料科学, 统计力学

作者： Arabinda Bera, Alessio Zaccone, Matteo Baggioli

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20631v1

摘要： 潜在的结构无序使得非晶固体中的拓扑缺陷的概念难以应用，并阻碍了可塑性微观载体和更容易发生结构重排的区域（“软点”）的第一原理识别。最近，有人提出，通过观察特征向量场或粒子位移场，仍然可以在玻璃中识别明确的拓扑缺陷，并将其与局部和全局可塑性相关。然而，所有现有的建议和分析仅在两个空间维度上有效。在这项工作中，我们提出了使用刺猬拓扑缺陷来表征 3D 眼镜的可塑性并从几何上预测其软点位置的想法。我们通过模拟 Kremer-Grest 3D 聚合物玻璃并使用法向模式特征向量场和大型塑料事件周围的位移场来证实我们的建议。我们的结果证实了玻璃塑性的拓扑表征是可行的，并提供了该程序在 3D 非晶系统中的具体实现。

多项式机器学习潜力及其在三元 Cu-Ag-Au 合金全局结构搜索中的应用

分类： 材料科学

作者： Atsuto Seko

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20630v1

摘要： 机器学习势 (MLP) 已成为执行精确的大规模原子模拟和预测晶体结构不可或缺的一部分。本研究介绍了专门针对三元 Cu-Ag-Au 系统的多项式 MLP 的开发。 MLP 被表述为多项式不变量的多项式，在任何旋转下都保持不变。多项式 MLP 不仅有助于在 Cu-Ag-Au 合金系统内进行全面的全局结构搜索，而且有助于对整个成分范围内的各种性能进行可靠的预测。开发的 MLP 支持高精度和高效的原子模拟，从而显着增进对 Cu-Ag-Au 系统的理解。此外，本研究中演示的方法可以很容易地应用于其他三元合金系统。

空气稳定单层 PtTe$_{1.75}$ 中二维外尔费米子的证据

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Zhihao Cai, Haijun Cao, Haohao Sheng, Xuegao Hu, Zhenyu Sun, Qiaoxiao Zhao, Jisong Gao, Shin-ichiro Ideta, Kenya Shimada, Jiawei Huang, Peng Cheng, Lan Chen, Yugui Yao, Sheng Meng, Kehui Wu, Zhijun Wang, Baojie Feng

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20606v1

摘要： 韦尔半金属代表了拓扑材料的独特类别，其中低能激发表现为长期寻找的韦尔费米子。由于手性异常和线性能量动量色散，预计会出现奇异的传输和光学特性。虽然三维外尔半金属已成功实现，但对二维 (2D) 对应物的探索仍在继续。在这里，我们报告了通过组合角分辨光电子能谱、扫描隧道显微镜、二次谐波产生、X-在单层 PtTe${1.75}$ 中实现了二维外尔费米子，该单层 PtTe${1.75}$ 具有强自旋轨道耦合且缺乏反演对称性。射线光电子能谱测量和第一原理计算。巨大的拉什巴分裂和能带反转导致了三对临界外尔锥体的出现。此外，单层 PtTe${1.75}$ 在环境条件下表现出优异的化学稳定性，这对于未来的器件应用至关重要。单层 PtTe${1.75}$ 中二维外尔费米子的发现为设计和制造新型自旋电子器件开辟了新的可能性。

多层系统的协同能斯特效应：并联电路模型研究

分类： 材料科学

作者： Hiroyasu Matsuura, Alexander Riss, Fabian Garmroudi, Michael Parzer, Ernst Bauer

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20599v1

摘要： 近年来，横向热电发电已成为人们极大兴趣的话题，因为正交几何形状可以实现更好的可扩展性和设备制造。在这里，我们基于电路模型以统一和通用的方式研究了薄膜基底系统中纵向和横向响应的厚度依赖性，即塞贝克系数、霍尔系数、能斯特系数和反常能斯特系数，该电路模型将系统描述为并行设置。通过求解并联电路模型，我们表明横向响应表现出显着的峰值，表明薄膜和基材之间协同效应的重要性，该协同效应是在存在温度梯度的情况下这些多层系统中出现的循环电流产生的。最后，根据实际材料参数，我们预测，如果相应调整厚度比，掺杂硅基板上的铋薄膜的能斯特效应将提升至前所未有的值，从而激发实验验证。

输运实验中揭示单价金属纳米接触的原子和电子结构的磁场依赖性

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 强关联电子

作者： Beilun Wu, Andrés Martínez, Paula Obladen, Marta Fernández-Lomana, Edwin Herrera, Carlos Sabater, Juan José Palacios, Isabel Guillamón, Hermann Suderow

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20577v1

摘要： 我们在从零场到 20 T 的磁场中测量了 Au 和 Ag 原子尺寸的接触。我们发现磁场感应扭矩会导致原子在比零场更短的距离处结合。此外，Au 的电导率在高磁场下下降到 $G_0$ 以下约 15%。我们计算通过包含附着在接触区域的残留 $O_2$ 分子的纳米金接触的传导，并发现当 $O_2$ 位于原子接触处时的自旋极化电流。我们讨论自旋轨道耦合在 Au 附着的 $O_2$ 磁性中的作用。

使用谱函数检测拓扑物质中的绕数和陈数

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Kiran Babasaheb Estake, Dibyendu Roy

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20550v1

摘要： 我们提出了一种通过测量动量空间单粒子谱函数（SPSF）来直接探测拓扑物质中的体拓扑量子数的方法。角分辨光电子能谱 (ARPES) 可以检测 SPSF，通常用于确定量子材料的体能带结构。在这里，我们表明，虽然动量空间 SPSF 的一部分给出了能带结构，但它也包含了各种拓扑材料的缠绕和陈数的知识。为此，我们推导了三种不同拓扑系统模型中的 SPSF，例如拓扑超导体的 Kitaev 模型、长程 Su-Schrieffer-Heeger 模型和 Qi-Wu-Zhang 模型，并解释了如何提取绕组或SPSF 中不同拓扑相的陈数。由于 ARPES 和扫描隧道光谱技术的最新进展，来自 SPSF 的此类信息似乎可以通过实验获得。

用于材料发现的元素反应图

分类： 材料科学

作者： Yuki Inada, Masaya Fujioka, Haruhiko Morito, Tohru Sugahara, Hisanori Yamane, Yukari Katsura

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20549v1

摘要： 在寻找新型无机材料时，限制组成元素的组合可以大大提高搜索效率。在这项研究中，我们使用机器学习来预测材料发现中具有高反应性的元素组合。这种预测的基本问题是不确定未报告的组合是否是非反应性的或不仅仅是研究的，尽管反应性组合可以很容易地从材料数据库中收集为阳性数据集。为了构建负面数据集，我们开发了一个过程，通过评估未报告和反应性组合之间的相似性来选择可靠的非反应性组合。机器学习模型由两个数据集进行训练，预测结果通过二维热图可视化：元素反应性图，用于识别具有高反应性但没有报告的稳定化合物的元素组合。这些图谱预测了 Co_Al_Ge 三元体系的高反应性（即可合成性），并合成了两种新型三元化合物：Co4Ge3.19Al0.81 和 Co2Al1.24Ge1.76。

用二氮杂纳米石墨烯构建自旋 1/2 反铁磁海森堡链

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 化学物理, 量子物理学

作者： Xiaoshuai Fu, Li Huang, Kun Liu, João C. G. Henriques, Yixuan Gao, Xianghe Han, Hui Chen, Yan Wang, Carlos-Andres Palma, Zhihai Cheng, Xiao Lin, Shixuan Du, Ji Ma, Joaquín Fernández-Rossier, Xinliang Feng, Hong-Jun Gao

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20511v1

摘要： 理解和设计纳米材料中自旋的耦合对于设计新型器件至关重要。具有 {\pi}-磁性的石墨烯纳米结构提供了一个化学可调平台来探索量子磁相互作用。然而，利用合适的纳米石墨烯系统实现具有受控奇偶效应的自旋链具有挑战性。在这里，我们展示了基于反芳香族二氮杂六邻六苯并苯（diaza-HBC）单元的自旋1/2反铁磁海森堡链的成功表面合成，其具有宇称相关磁化强度。使用不同的合成策略，合成了两种具有不同末端的自旋链，两者都对沿链的自旋耦合表现出强大的奇偶效应。使用扫描隧道显微镜、非接触原子力显微镜、密度泛函理论计算和量子自旋模型的综合研究证实了二氮杂-HBC链的结构并揭示了它们的磁性，其每单位的自旋为S = 1/2从 diaza-HBC 核心向 Au(111) 基板提供电子。在偶数链中观察到带隙激发，而由于不成对自旋沿链的重新分布，在奇数链的奇数单元中出现了增强的近藤共振。我们的研究结果提供了构建纳米石墨烯自旋链的有效策略，并揭示了其磁性的奇偶效应，为纳米级自旋电子学提供了潜在的应用。

自旋空间群中的超导有序参数：方法与应用

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 超导

作者： Xilin Feng, Zhongyi Zhang

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20504v1

摘要： 我们采用系统方法来构建基于自旋空间群的超导有序参数。与元素的空间和自旋旋转完全锁定的磁空间群相比，自旋空间群中的超导通道和基函数的形式可以不同。此外，我们利用获得的基函数来构造Ginzburg-Landau自由能并显示可能的超导基态。凭借这些结果，我们讨论了我们的理论在现实系统中的应用。我们的工作提供了自旋空间群情况下超导间隙函数的严格描述，并使得能够进一步研究超导性和磁性之间的相互作用。

B$_7$Cr$_2$簇的结构和稳定性：DFT研究

分类： 材料科学, 74M05, 80A50

作者： P. L. Rodríguez-Kessler

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20498v1

摘要： 在这项工作中，我们采用密度泛函理论（DFT）来探索掺杂两个铬原子（B$_7$Cr$_2$）的硼团簇的结构。结果表明，最稳定的结构是由 B$_7$ 环与两个金属原子配位形成的双锥体构型，类似于最近报道的 B$_7$M$_2$ 类似物。结构和电子性质揭示了全局最低能量异构体和较高能量异构体之间的显着差异。

Mo$_3$O$_8$型簇莫特绝缘体Na$_3$Sc$_2$(MoO$_4$)$_2$Mo$_3$O$_8$的磁序，具有自旋1/2三角晶格通过优化合成制备

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Yuya Haraguchi, Daigo Ishikita, Hiroko Aruga Katori

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20493v1

摘要： 我们详细介绍了 Mo$_3$O$_8$ 型团簇莫特绝缘体 (CMI) Na$_3$Sc$_2$(MoO$_4$)$_2$Mo$_3$O$_8$ 的优化合成，其中被认为是实现自旋液体基态的候选者。优化后的 Na$_3$Sc$_2$(MoO$_4$)$_2$Mo$_3$O$8$ 通过 X 射线衍射、能量色散 X 射线光谱以及磁容量和热容量测量进行表征，表现出接近理想 1.73 $\mu{\mathrm B}$ 的有效磁矩，$S = 1/2$ 自旋和 $\sim$ 5 K 的磁序。这些观察结果将 Na$_3$Sc$_2$ 分类(MoO$_4$)$_2$Mo$_3$O$_8$ 是继 Li$_2$InMo$_3$O$_8 之后实现磁基态的第二个 Mo$_3$O$_8$ 型 CMI $。他们强调通过精确的化合价和化学无序调节，磁性基态相对于理论上预期的量子自旋液态的稳定性。我们的研究结果挑战了现有理论，即Mo$_3$O$_8$型CMI的磁基态是由呼吸参数决定的，而是表明磁序受到自旋缺陷的抑制。这项研究强调了化学精度在研究量子磁性中的关键作用。这表明，价态的精确调节可以在以前的非磁性 Mo$_3$O$_8$ 型 CMI 中诱导磁有序化。此外，关于量子自旋液体存在的负面发现凸显了应用研究的必要性，以及从理论和实验方面重新评估我们对电子态的基本理解的必要性。

二卤化物单层中应变可调节的磁态和磁能态

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Ali Ghojavand, Maarten Soenen, Nafise Rezaei, Mojtaba Alaei, Cem Sevik, Milorad V. Milošević

发布时间： 2024-07-30

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20489v1

摘要： 单层 NiI$_2$ 因其非共线磁序与自旋轨道耦合之间的相互作用而产生多铁性行为，因此引起了广泛的研究兴趣。这促使人们研究外部刺激下 NiI$_2$ 和类似材料中磁序的稳定性。在这项工作中，我们报告了双轴和单轴应变对 NiX$_2$ (X = I, Br, Cl) 单层磁基态、临界温度和磁角特性的影响。对于所有三种材料，我们揭示了复杂的应变相关相图，包括铁磁相、螺旋磁相和斯格明子相。此外，我们讨论了在后面的分析中考虑双二次交换相互作用的必要性。我们揭示了双二次交换显着改变了磁基态和磁序的临界温度，并且我们证明当单层二卤化镍受到应变时，其重要性变得更加明显。最后，我们计算了预测磁态的磁振子色散，表明斯格明子相起到磁振子晶体的作用，并证明了螺旋磁相中有限波矢量处存在应变可调软磁振子模式。

MnTe（一种 $g$ 波交磁半导体）中的巨大应变诱导自旋分裂效应

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： K. D. Belashchenko

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20440v1

摘要： 六方 MnTe 是一种交磁半导体，在动量空间中具有自旋极化 $g$ 波对称性。在非相对论极限下，这种对称性要求在任何晶体方向流动的电流都是非极化的。然而，研究表明，弹性应变可有效诱导 MnTe 中的自旋分裂效应。对于此分析，导出了 A 点价带最大值的自旋轨道耦合 $\mathbf{k}\cdot\mathbf{p}$ 哈密顿量，并将其拟合到根据第一原理计算的特征值。自旋分裂角是使用弛豫时间近似中的玻尔兹曼方法计算的。自旋分裂规范因子在价带最大值附近超过 20。因此，通过合适的衬底工程，MnTe可以用作自旋电子器件中自旋电流的有效源和探测器。正确包含 Rashba-Dresselhaus 自旋轨道耦合对于正确描述 MnTe 的输运特性至关重要。

通过格林函数实现多体量子化学的统一深度学习框架

分类： 化学物理, 材料科学, 计算物理

作者： Christian Venturella, Jiachen Li, Christopher Hillenbrand, Ximena Leyva Peralta, Jessica Liu, Tianyu Zhu

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20384v1

摘要： 量子多体方法提供了计算分子和材料电子特性的系统途径，但高计算成本限制了其在大规模应用中的使用。由于多电子波函数的复杂性，能够捕获基本多体物理的机器学习模型仍然有限。在这里，我们提出了一个针对多体格林函数的深度学习框架，该框架统一了基态和激发态电子特性的预测，同时提供了对电子相关效应的深入物理见解。通过从平均场特征中学习 $GW$ 或耦合团簇自能，我们的图神经网络在预测一粒子和两粒子激发以及可从一粒子密度矩阵导出的数量方面取得了有竞争力的性能。我们通过多个分子和纳米材料基准测试，展示了其在化学物种、系统尺寸、分子构象和键断裂相关强度方面的高数据效率和良好可转移性。这项工作为利用机器学习解决多电子问题开辟了新的机会。

铁电 BaTiO$_3$ 中畴壁运动引起的外在介电响应

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 计算物理

作者： Ashok Gurung, Mohammad Fatin Ishtiyaq, S. Pamir Alpay, John Mangeri, Serge Nakhmanson

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20354v1

摘要： BaTiO$_3$ (BTO) 是一种典型的钙钛矿铁电体，其介电常数和损耗谱（与温度和频率密切相关）包括不均匀极化图案的贡献，其中极性畴壁 (DW) 是最常见的类型。为了阐明 DW 如何影响介电响应，我们利用基于 Landau-Ginzburg 理论的连续介质方法来模拟 BTO 多域四方相在室温及以上温度下的场相关特性。将具有 180$^\circ$ DW 的系统作为案例研究进行评估，在不同温度下针对一系列应用场频率和振幅计算位置分辨和体积平均介电磁化率和损耗。我们的结果表明，相对于域内产生的内在贡献，DW 附近的协同偶极子波动对系统介电响应提供了很大的（外在）贡献。施加场下 DW 剖面波动的动态可以通过呼吸和滑动振动运动的组合来表示，每种振动运动都表现出对场频率和振幅的明显依赖性。这种行为的影响对于理解和改善铁电材料耦合功能特性的控制非常重要，包括它们的介电、机电和光电响应。此外，这项研究为未来的研究提供了计算基准，并且可以很容易地扩展到铁电体中的其他拓扑极化模式。

炭黑填充有机硅弹性体中流动引起的各向异性：机电性能和结构

分类： 材料科学

作者： Bettina Zimmer, Bart-Jan Niebuur, Florian Schaefer, Fabian Coupette, Victor Tänzel, Tanja Schilling, Tobias Kraus

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20318v1

摘要： 炭黑（CB）弹性体可以作为低成本、高度可变形的传感器材料，但几乎没有对其结构-性能关系进行任何研究。我们报告了流动引起的各向异性，考虑到通过刮刀涂层生成的 CB 硅酮薄膜。固化膜表现出轻微的电各向异性，平行于涂层方向的电导率低于垂直于涂层方向的电导率。此外，垂直于涂层方向的拉伸的压阻灵敏度比平行拉伸的压阻灵敏度大得多。对炭黑团聚体水平的长度尺度的结构分析仅产生了微弱的各向异性证据。基于这些证据和 CB 网络模拟的见解，我们假设涂层过程中的剪切流使 CB 网络破碎，然后诱导优先聚集排列，以及平行于涂层方向的颗粒间距离增加。作为一个实际结论，已经很弱的各向异性结构足以引起显着的电各向异性。

$s$波拓扑超导的费米面诊断

分类： 超导, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Zhongyi Zhang, Ken Shiozaki, Chen Fang, Seishiro Ono

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20231v1

摘要： 拓扑超导的理论预测是其发现的关键。最近，事实证明，在 230 个空间群中，有 199 个空间群中的拓扑超导性与 $s$ 波的配对对称性共存，这为寻找更多这种奇异相的候选者带来了希望。然而，诊断现实材料中的拓扑超导性的全面有效的方法仍然难以实现。在这里，我们推导了时间反转对称超导体的有隙和无隙拓扑相的费米面公式，该超导体在所有层和空间群中具有$s$波状配对对称性，适用于薄膜和块体材料。我们的诊断仅使用配对符号和几个费米点处的费米速度，并对 199 个空间群中的 159 (40) 个空间群中的带隙拓扑超导性产生完整（部分）诊断。这为新型拓扑超导体的第一性原理预测提供了基础依据。

通过范德华反铁磁体中的局部应变控制压印旋转图案

分类： 材料科学

作者： Zhuoliang Ni, Huiqin Zhang, Qi Tian, Amanda V. Haglund, Nan Huang, Matthew Cothrine, David G. Mandrus, Deep Jariwala, Liang Wu

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20222v1

摘要： 范德华磁体为探索低维磁性和自旋电子现象提供了机会。默明-瓦格纳定理指出，降维中的长程相关性是由磁各向异性稳定和控制的。在这项研究中，我们通过一种涉及形貌的新颖方法，精心创建和控制二维（2D）范德华反铁磁体 MnPSe3 内的面内易轴磁各向异性，从而通过使用微图案基板进行应变控制。通过将 MnPSe3 薄片转移到具有微尺度凹槽图案的基板上，我们引入了局部单轴应变图案，它不仅将自旋方向锁定到应变方向，而且还复制了自旋方向分布中的凹槽图案。我们的方法产生与基底图案相对应的自旋方向，因此有可能通过提供一种独特的方法来操纵和设计易平面磁体中的自旋纹理，从而显着推进自旋电子器件的发展。

用于材料 3D 微观结构演化的物理启发神经网络的极限时间外推能力和热力学一致性

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 机器学习, 计算物理

作者： Daniele Lanzoni, Andrea Fantasia, Roberto Bergamaschini, Olivier Pierre-Louis, Francesco Montalenti

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20126v1

摘要： 卷积递归神经网络 (CRNN) 经过训练，可以重现 Cahn-Hilliard 方程所描述的三维旋节线分解过程的演化。事实证明，受物理启发的专门架构可以在预测的演化与通过传统集成方案获得的地面真实演化之间提供紧密的一致性。该方法可以以一小部分计算成本精确再现训练集中未表示的微观结构的演化。尽管训练集仅包含相对较短的演化初始阶段，但仍实现了极长时间的外推能力，直至达到理论上预期的系统平衡状态。在粗化后期还展示了与自由能衰减率的定量一致，为材料的长时间尺度模拟提供了数据驱动、物理一致和高精度机器学习方法的示例。

三角晶格伊辛型反铁磁体 PrMgAl11O19 中的带隙量子自旋液体

分类： 强关联电子, 材料科学, 超导

作者： Chengpeng Tu, Zhen Ma, Hanru Wang, Yihan Jiao, Dongzhe Dai, Shiyan Li

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20081v1

摘要： 在量子自旋液体（QSL）的研究中，自旋1/2三角晶格海森堡反铁磁体（TLHAF）一直被视为肥沃的土壤。尽管存在真正的磁有序基态，但各向异性被认为在稳定 QSL 态方面发挥着重要作用。然而，最具各向异性的情况——三角晶格伊辛反铁磁体（TLIAF）——的性质和基态仍然难以捉摸且存在争议。在这里，我们报告了新发现的伊辛型 QSL 候选 PrMgAl11O19 的比热和导热系数测量。在零磁场下，磁比热表现出二次温度依赖性。相反，没有检测到对热导率的直接正磁贡献，排除了移动无间隙费米子激发的存在。对声子热导率的进一步分析表明，声子被间隙中的热激活磁激励强烈散射，表现出与磁场的线性相关性。这些结果表明自旋 1/2 TLIAF PrMgAl11O19 具有带隙 Z2 QSL 基态。

使用等离子能量膨胀测温法 (PEET) 提高 TEM 样品温度测量的准确性：解决样品厚度影响

分类： 材料科学, 仪器仪表和探测器

作者： Yi-Chieh Yang, Luca Serafin, Nicolas Gauquelin, Johan Verbeeck, Joerg R. Jinschek

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20059v1

摘要： 基于分析扫描透射电子显微镜 (STEM) 和微电子机械系统 (MEMS) 的微型加热器的进步使得能够在高温下进行纳米级的原位材料表征。除了解析高温下的结构信息之外，对样品内部局部温度分布的详细了解对于揭示热诱发现象和过程至关重要。在这里，我们研究了等离激元能量膨胀测温法 (PEET) 的准确性，作为绘制室温至 700 摄氏度范围内的钨 (W) 薄片局部温度的方法。特别是，我们解决了典型电子透明 TEM 样品范围内的样品厚度（从 30 nm 到 70 nm）对温度依赖性等离激元能量的影响。用于确定局部样品温度的等离激元能量的变化不仅与温度相关，而且在 W 的情况下，在样品厚度低于约 60 nm 时还与厚度相关。结果强调了在使用 PEET 分析局部体等离激元能量进行温度测量时考虑样品厚度（尤其是厚度变化）的重要性。然而，在 W 的情况下，随着样品厚度的减小，体等离激元峰的束展宽 (FWHM) 不断增加，可用于提高具有不同样品厚度的 TEM 片层中 PEET 的精度。

二维转子晶格模型中的畴壁铁电极化子

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Florian Kluibenschedl, Georgios M. Koutentakis, Ragheed Alhyder, Mikhail Lemeshko

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19993v1

摘要： 我们证明了在电子与旋转偶极子相互作用的最小二维晶格模型中铁电畴壁极化子的形成。沿着磁畴壁，转子沿相反方向极化，导致电子沿着特定的晶格方向定位。转子-电子耦合被认为是晶体中结构不稳定性的根源，它通过对称性破缺过程导致畴壁形成。我们的结果提供了铁电极化子的第一个理论描述，正如在软半导体的背景下讨论的那样。

多层界面铁电体中的极化饱和

分类： 材料科学

作者： Wei Cao, Swarup Deb, Maayan Vizner Stern, Noam Raab, Michael Urbakh, Oded Hod, Leeor Kronik, Moshe Ben Shalom

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20303v1

摘要： 最近发现，破坏反转和镜像对称的范德华（vdW）多型体即使在最终的两层薄极限下也表现出可切换的电极化。研究发现，它们的面外极化在每个连续层中以梯状方式累积，为 3D 铁电体的自下而上结构提供了 2D 构建模块。在这里，我们通过实验证明，超过临界堆叠厚度，二硫化钼（r-MoS2）菱面体多型体中的累积极化会饱和。通过 DFT 和自洽 Poisson-Schr"odinger 计算破译的潜在饱和机制指向纯粹的电子重新分布，涉及：（1）极化引起的带隙闭合，允许跨堆栈电荷转移和自由表面的出现(2) 由于自由载流子的存在，极化饱和值及其获得的临界厚度降低 极性层状结构对原子表面重建的弹性，这在极性 3D 晶体中基本上是不可避免的。 ，可能允许设计具有移动表面电荷的新器件，我们的研究结果具有一般性，在设计基于铁电层状材料的开关和/或导电器件时应予以考虑。

LibRPA：基于数值原子轨道的随机相位近似电子相关能低尺度第一原理计算软件包

分类： 材料科学

作者： Rong Shi, Min-Ye Zhang, Peize Lin, Lixin He, Xinguo Ren

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19930v1

摘要： LibRPA 是一个软件包，旨在使用数值原子轨道 (NAO) 根据第一原理有效计算随机相位近似 (RPA) 电子相关能量。利用局部恒等分辨率 (LRI) 技术，LibRPA 实现了 $O(N^2)$ 或更好的缩放行为，使其适合周期系统的大规模计算。 LibRPA 采用 C++ 和 Python 实现，具有 MPI/OpenMP 并行性，通过灵活的基于文件和 API 的接口与基于 NAO 的密度泛函理论 (DFT) 包无缝集成。在这项工作中，我们介绍了 LibRPA 的理论框架、算法、软件架构以及安装和使用指南。性能基准，包括计算资源的并行效率和石墨烯上 H$_2$O 分子的吸附能计算，证明了其近乎理想的可扩展性和数值可靠性。 LibRPA 为大规模扩展系统的基于 RPA 的计算提供了一个有用的工具。

通过缺陷工程增强 MoS2 中的热传输

分类： 材料科学

作者： Riccardo Dettori, Francesco Siddi, Luciano Colombo, Claudio Melis

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19891v1

摘要： MoS2 是研究最多且最有前途的过渡金属二硫属化物之一。它的流行源于单层相的有趣特性，它可以作为许多应用的基本块。在本文中，我们提出了通过战略缺陷工程，特别是引入硫空位来调节单层 MoS2 热传输特性的原子学视角。通过结合分子动力学模拟和晶格动力学计算，我们展示了硫空位的各种分布（从随机排列到周期性排列的配置）如何影响其导热率。值得注意的是，我们观察到某些周期性排列恢复了原始系统的热导率，这是由于强加的超周期性促进了声学和光学声子之间的相互作用最小化。这项研究加深了对二维材料中声子热传输的理解，并为纳米级器件中的声子工程引入了不同的观点，为通过定制的热管理策略提高器件性能和寿命提供了途径。

高度受抑烧绿石化合物中连续的铁电序和无长程磁序的磁电耦合：Sm$2$Ti${2-x}$V$_x$O$_7$

分类： 材料科学, 其他凝聚态物质

作者： S. Mukherjee, O. Ivashko, S. Majumdar, A. Kumar, S. Giri

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19883v1

摘要： Sm$_2$Ti$2$O$7$ 是稀土钛酸盐烧绿石的一种，在 $T_N$ = 0.35 K 以下表现出偶极-八极反铁磁性。我们在 182 ($T{FE1}$) 处观察到两个铁电转变和 52 K ($T{FE2}$)，显着高于 Sm$2$Ti${2-x}$V$_x$O$7$ 的 $T_N$ ($x$ = 0, 0.1)。尽管铁电转变温度保持不变，但极化值随着 V 掺杂而显着降低。从立方 $Fd\bar{3}m$ 结构到极性 $R3m$ 菱面体相的结构转变发生在 $T{FE1}$ 处，涉及烧绿石晶格的畸变。值得注意的是，在两种化合物中都观察到显着的线性磁电耦合，并且由于磁性 V 掺杂而进一步增强了磁电耦合。在受抑烧绿石系统中存在没有长程磁序的磁电耦合，可以实现磁电耦合特性的定制，并可以通过 V 掺杂进一步微调。受挫磁系统中铁电性的出现为这些化合物引入了一个有趣的方面，并为通过减轻烧绿石系统中磁挫败而驱动的铁电有序性的发展铺平了道路。

负电容的弹性放大

分类： 材料科学

作者： Mónica Graf, Natalya S. Fedorova, Hugo Aramberri, Jorge Íñiguez-González

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19879v1

摘要： 在适当的电边界条件下，铁电体可以呈现负电容响应，由此铁电体上的总电压降与外部施加的偏压相反。当铁电体处于异质结构中时，这种行为会在其他元件中产生电压放大，这种效应可以在低功率电子设备中利用。有趣的是，所提到的电压放大应该具有伴随的弹性效应。具体来说，在与铁电体接触的材料是非极性电介质的典型情况下，这些材料应该呈现出增强的电致伸缩响应。在这里，我们使用显示负电容的 PbTiO${3}$/SrTiO${3}$ 铁电/介电超晶格模型的原子模拟 - 来证明情况确实如此：我们揭示了介电层的增强弹性响应并表明它与电压放大率明显相关。我们认为这种“弹性放大”可以作为负电容的方便的实验指纹。此外，我们建议它本身可能有兴趣，例如用于开发低功率机电执行器。

块状非中心对称铁磁体中的本征自旋电流

分类： 材料科学

作者： Ilja Turek

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19756v1

摘要： 在没有任何外部电场的非中心对称晶体中会遇到本征自旋电流；这些电流是由自旋轨道相互作用引起的。在本文中，通过使用群论、微扰展开以及模型和实际系统的计算，研究了块体铁磁体中这种现象的各个理论方面。自旋流张量的群论分析表明，空间反演对称性的缺失并不是本征自旋流出现的充分条件。扰动展开证明，在交换分裂主导自旋轨道相互作用的情况下，本征电流的自旋极化几乎垂直于磁化方向。对 NiMnSb 和 CoMnFeSi 铁磁化合物进行了第一性原理计算，这两种化合物均具有四面体晶体点群。自旋电流张量对磁化方向的依赖性可以通过包含两个常数的简单二次公式来近似；对于这两种化合物，该近似值的相对误差小至几个百分点。

使用弹性校正器的空洞增长模型的乘法有限应变公式

分类： 材料科学

作者： Meijuan Zhang, Guadalupe Vadillo, Francisco Javier Montans

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19712v1

摘要： 所提出的工作是大应变非等容塑性变形的公式，以 GTN 屈服函数作为空洞增长规则为例。该公式是完全超弹性的，并使用 Kroner-Lee 乘法分解。它采用弹性校正器的概念，因此对弹性应变的大小或弹塑性行为的形式没有任何限制。此外，塑性变形的体积部分是用弹性对数应变的体积部分的校正器来描述的。它提供了一种新的、合理的运动学方法来处理非等容塑性。我们还以GTN函数为例来演示运动学关系的使用以及隐式算法的实现。

利用低温拉曼光谱揭示 Ta 在 Pb(Ta1+xSe2)2 相变中的作用

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Yu Ma, Chi Sin Tang, Xiaohui Yang, Yi Wei Ho, Jun Zhou, Wenjun Wu, Shuo Sun, Jin-Ke Bao, Dingguan Wang, Xiao Lin, Magdalena Grzeszczyk, Shijie Wang, Mark B H Breese, Chuanbing Cai, Andrew T. S. Wee, Maciej Koperski, Zhu-An Xu, Xinmao Yin

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19653v1

摘要： 二维过渡金属二硫属化物（2D-TMD）的相工程策略因其在电子、光电子和能源存储方面的潜在应用而引起了人们的广泛关注。各种方法，包括直接合成、压力控制和化学掺杂，已被用来操纵 2D-TMD 的结构转变。金属插层成为一种有效的技术，通过在 2D-TMD 层之间插入外部原子或离子，改变其电子结构和物理性质来调节相变动力学。在这里，我们结合拉曼光谱和第一性原理计算研究了 Ta 嵌入引起的 Pb(Ta1+xSe2)2 单晶中显着的结构相变。结果强调了 Ta 原子在驱动这些转变中的关键作用，并阐明了 2D-TMD 中插层、相变以及由此产生的电子和振动特性之间的相互作用。通过将 Pb(Ta1+xSe2)2 作为理想案例研究并研究金属插层等，本研究增进了对该领域的理解，并为 2D-TMD 的新颖应用的开发铺平了道路，为这些材料的潜力提供了见解。未来技术进步的材料。

氢封端 (100) 金刚石表面上 C60F48 表面受体的亚单层组装

分类： 材料科学

作者： Alex K. Schenk, Kevin J. Rietwyk, Mark T. Edmonds, Anton Tadich, Chris I. Pakes

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19649v1

摘要： 我们使用扫描隧道显微镜和 X 射线光电子能谱表征了氢封端 (100) 金刚石表面上 C60F48 分子表面受体的亚单层组装，并探讨了该组装对控制表面转移掺杂的能级排列的影响。沉积后，观察到无序的多层岛。退火至 90$^{\circ} \rm{C}$ 会导致从去湿多层岛过渡到覆盖率足够高的单润湿层，同时伴随着 C60F48 和金刚石表面之间能量排列的变化，因此，转移掺杂引起的载流子密度降低了 20%。

腐蚀分析常用等效电路模型的评估：电化学阻抗谱的贝叶斯方法

分类： 材料科学, 数据分析、统计和概率

作者： Runze Zhang, Debashish Sur, Kangming Li, Julia Witt, Robert Black, Alexander Whittingham, John R. Scully, Jason Hattrick-Simpers

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20297v1

摘要： 电化学阻抗谱（EIS）是评估金属材料腐蚀的关键技术。 EIS 分析取决于选择合适的等效电路模型 (ECM)，以准确表征所研究的系统。在这项工作中，我们系统地研究了三种常用 ECM 在几种典型材料降解场景中的适用性。通过将贝叶斯推理应用于模拟腐蚀 EIS 数据，我们评估了这些 ECM 在不同腐蚀条件下的适用性，并确定了 EIS 数据缺乏足够信息来统计证实 ECM 结构的区域。此外，我们认为传统的 EIS 分析方法通常需要测量非常低的频率，但可能并不总是需要正确建模适当的 ECM。我们的研究评估了省略低频到中频范围的数据对推理结果的影响，并表明可以排除很大一部分低频测量结果，而不会显着影响提取系统参数的准确性。此外，我们提出对 ECM 分量的后验分布和后验预测进行简单检查，这可用于定量评估特定 ECM 的适用性以及需要测量的最小频率。该框架指出了一条通过智能减少低频数据收集并允许动态 EIS 测量来加速 EIS 采集的途径

多 GPU RI-HF 能量和分析梯度 $-$ 迈向高通量 Ab Initio 分子动力学

分类： 计算物理, 材料科学, 化学物理, 量子物理学

作者： Ryan Stocks, Elise Palethorpe, Giuseppe M. J. Barca

发布时间： 2024-07-29

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19614v2

摘要： 本文提出了一种优化算法和实现，用于使用多个图形处理单元 (GPU) 计算恒等分辨率 Hartree-Fock (RI-HF) 能量和分析梯度。该算法专为中小型分子（10-100 个原子）的高通量 \emph{ab initio} 分子动力学模拟而设计。这项工作的关键创新包括利用多 GPU 并行性以及在 GPU 之间有效分配计算任务的工作负载平衡方案。我们的实现还采用对称利用、积分筛选和利用稀疏性的技术来优化内存使用和计算效率。计算结果表明，与之前的 GPU 加速 RI-HF 和传统 HF 方法相比，该实现实现了显着的性能改进，包括单 GPU AIMD 吞吐量的加速超过 3 倍。此外，当额外的聚合 GPU 内存允许存储解压的三中心积分时，利用多个 GPU 可以提供超线性加速。此外，我们报告了多达 1000 个基函数的系统的强大扩展效率，并通过在多达四倍 $\zeta$ 主基组上进行广泛的性能基准测试来演示实际应用，实现高达理论峰值 47% 的浮点性能在 4$\times$A100 GPU 节点上。

断裂的广义相场内聚区模型 ($μ$PF-CZM)

分类： 材料科学

作者： Jian-Ying Wu

发布时间： 2024-07-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00015v1

摘要： 在这项工作中，在脆性和内聚断裂统一相场理论的框架内提出了广义相场内聚区模型（$\mu$PF-CZM）。除了相场正则化的几何函数和本构关系的退化函数之外，引入额外的裂纹驱动力耗散函数，大大拓宽了原始PF-CZM的理论和应用范围。对于几乎任何特定的牵引分离定律，这些特征函数都是从长度尺度不敏感和非收缩裂纹带的条件以通用、优化和合理化的方式分析确定的。特别是，利用最佳几何函数，可以在不影响目标牵引分离软化定律的情况下考虑裂纹的不可逆性。不仅可以妥善处理凹软化行为，还可以妥善处理高阶内聚牵引力，这两者都是先前作品的局限性。全局断裂响应不仅对相场长度尺度而且对牵引阶参数不敏感，尽管裂纹带宽可能受到两者的影响。尽管在一般情况下失去了变分一致性，但所得的 $\mu$PF-CZM 仍然是热力学一致的。此外，只需稍作修改即可直接采用现有的数值实现。提出了代表性的数值例子来验证所提出的 $\mu$PF-CZM 并证明其通过一般软化行为捕获脆性和内聚断裂的能力。对相场长度尺度和牵引阶次参数的不敏感性也得到了充分验证。

分级锂离子软包电池可均匀化电流分布并减少锂镀层

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Ross Drummond, Eloise C. Tredenick, Toby L. Kirk, Marveh Forghani, Patrick S. Grant, Stephen R. Duncan

发布时间： 2024-07-28

链接： http://arxiv.org/abs/2407.21071v1

摘要： 大型锂离子软包电池平面上的电流、温度、充电状态和退化的空间分布会显着影响其性能，尤其是在高倍率情况下。在本文中，提出了一种通过在平面内分级电极微结构来平滑这些空间分布的方法。开发了大型软包电池的数学模型，并根据温度和电压实验数据进行了验证。然后得出最佳分级电极的解析解，该电极可在软包电池上实现均匀的电流分布。该模型预测，分级电极可以显着降低大型软包电池中锂电镀的可能性，分级将电镀发生的 C 速率从 2.75C 提高到 5.5C。这些结果表明设计空间变化的电极结构以均匀化大型软包电池的响应并提高其高倍率性能的潜力。

莫尔激子的集体光学特性

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 强关联电子, 量子物理学

作者： Tsung-Sheng Huang, Yu-Xin Wang, Yan-Qi Wang, Darrick Chang, Mohammad Hafezi, Andrey Grankin

发布时间： 2024-07-28

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19611v1

摘要： 我们提出莫尔过渡金属二硫化物双层中的激子为研究集体辐射特性提供了一个有前途的平台。虽然其中一些光学特性类似于冷原子阵列的光学特性，但莫尔激子延伸至深亚波长极限，超出了当前光学晶格实验的范围。值得注意的是，我们表明可以利用集体光学特性来探测某些相关的电子态。具体来说，我们说明了掺杂到这些双层中的电子的维格纳晶态充当激子的涌现周期势。此外，集体耗散激子带及其相关的贝里曲率可以揭示相应电子掺杂时出现的各种电荷顺序。我们的研究为未来研究集体效应和涉及莫尔激子的强相关性之间的相互作用提供了一条有前途的途径。

具有近红外光栅脉冲和极紫外衍射探头的阿秒瞬态光栅光谱

分类： 光学, 材料科学, 仪器仪表和探测器

作者： Rafael Quintero-Bermudez, Lorenz Drescher, Vincent Eggers, Kevin Gulu Xiong, Stephen R. Leone

发布时间： 2024-07-28

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19609v1

摘要： 瞬态光栅光谱已成为金属和半导体表征技术的支柱。在这里，我们通过使用桌面高次谐波生成阿秒极紫外 (XUV) 脉冲，将技术扩展到可实现的最短时间尺度，这些脉冲从 500-1000 nm 亚 5 fs 近红外 (NIR) 脉冲生成的瞬态光栅中衍射出来。我们通过研究锑半金属薄膜中的超快光激发动力学，展示了阿秒瞬态光栅光谱 (ATGS) 的强大功能。与瞬态吸收光谱相比，ATGS 提供元素特异性、无背景信号，不受光谱拥塞的限制。通过 Sb 多晶薄膜中的 ATGS 测量，我们观察了相干声子的产生并研究了晶格和载流子动力学。在后面的过程中，我们提取了载流子热化、热载流子冷却和电子空穴复合，它们的时间尺度分别为 20 fs、50 fs 和 2 ps。此外，同时收集瞬态吸收和瞬态光栅数据使我们能够提取样本动力学中的总复介电常数，包括实值折射率，从中我们还能够研究载流子-声子相互作用和寿命更长的声子动力学。概述的实验技术通过元素选择技术在最短的可实现时间尺度上提供有关载流子和晶格动力学的丰富信息，扩展了瞬态光栅光谱和阿秒光谱的能力。

辐照先进 Fe-9Cr 钢中的 MX 沉淀行为：氦气对相稳定性的影响

分类： 材料科学

作者： T. M. Kelsy Green, Tim Graening, Weicheng Zhong, Ying Yang, Kevin G. Field

发布时间： 2024-07-28

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19589v1

摘要： 沉淀物是聚变能系统结构材料中提供高温蠕变强度和抗辐射性的主要微观结构特征。然而，对于聚变第一壁和覆盖层组件的候选结构材料在辐照下沉淀物稳定性的机制知之甚少。特别是，氦嬗变和辐照诱导损伤对析出物演化的双重影响尚未在候选材料中得到系统研究，其中领先的是 Fe-9Cr 还原活化铁素体/马氏体 (RAFM) 合金。为了填补这一知识空白，需要对氦气 (0-25 appm He/dpa)、温度 (300-600C) 和原子位移 (15-100 dpa) 的单一和组合相互作用对 MX (M通过使用双离子辐照实验研究了高级 Fe-9Cr RAFM 合金中的析出物。研究发现，氦气在高温和中等损伤水平下抑制了沉淀物稳定性的扩散介导机制（即辐射增强生长），但在高剂量条件（> 50 dpa）下对沉淀物溶解没有影响。使用沉淀稳定性模型来合理化氦对弹道溶解和辐射增强扩散的影响，这是总体沉淀稳定性的关键因素。这是三篇论文系列中的第二篇，系统评估了 RAFM 钢在各种与熔合相关的离子辐照条件下的 MX 析出物行为。

使用第一原理计算设计 Pu 金属间化合物

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Matthew S. Cook, David C. Arellano, Derek V. Prada, Sven P. Rudin, Eric D. Bauer, W. Adam Phelan

发布时间： 2024-07-28

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19581v1

摘要： 我们提出了两种新型 Pu 基金属间化合物 PuNiSn 和 PuPtSn 的从头算发现。使用密度泛函理论，计算相关三元相图中的形成能以预测两种化合物的稳定性。同时，对 Pu-Ni-Sn 和 Pu-Pt-Sn 材料进行电弧熔化，随后通过 2-300 K 范围内的磁化强度、比热和电阻率测量来表征。磁化测量结果表明，PuNiSn 和 PuPtSn 在 TN = 11 K 时呈反铁磁性有序。 TN = 15 K。比热测量显示残余电子比热增强，这表明电子相关性很强。电阻率测量表明 PuNiSn 的近藤行为，而晶体场效应可能在观察到的 PuPtSn 温度依赖性中发挥作用。

宽带吸收上限

分类： 光学, 材料科学, 应用物理

作者： Stéphane Collin, Maxime Giteau

发布时间： 2024-07-28

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19559v1

摘要： 我们解决了开放、耗散系统中波的最佳宽带吸收问题。我们基于准正常模式以及辐射和非辐射衰减率，开发了由多个重叠共振引起的吸收的通用框架。厚度为 $d$ 的板中宽带吸收的上限采用简单的形式：$A= 1-\exp(-F \alpha d)$，其中 $\alpha$ 是吸收系数，$F$ 是路径增强因素。我们将这些结果应用于光伏发电的阳光吸收，并回答了关于太阳能电池最佳光捕获策略的长期争论。对于与角度无关的吸收，我们推导出各向同性散射上限 $F = 4 n^2$ （$n$ 折​​射率），将众所周知的雅布洛诺维奇极限扩展到射线光学和弱吸收范围之外。对于角度限制照明，我们表明，使用周期性图案引起的多共振吸收，$F$ 可以进一步增加到 $8 \pi n^2 / \sqrt{3}$。这些结果在波物理学领域具有广泛的应用范围，并为最大限度地提高超薄设备中电磁波或机械波的吸收、检测和衰减提供了新的机会。

用于电子显微镜图像分割的深度生成模型辅助自动标记

分类： 材料科学, 图像和视频处理

作者： Wenhao Yuan, Bingqing Yao, Shengdong Tan, Fengqi You, Qian He

发布时间： 2024-07-28

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19544v1

摘要： 深度学习的快速发展促进了电子显微镜（EM）大数据堆栈的自动化处理。然而，设计一个消除手动标记并适应领域差距的框架仍然具有挑战性。当前的研究仍然陷入追求完全自动化的困境，同时仍然需要模拟或轻微的手动注释。在这里，我们演示了串联生成对抗网络（tGAN），这是一个完全无标签和无模拟的管道，能够生成用于计算机视觉训练的 EM 图像。 tGAN 可以吸收新数据堆栈中的关键特征，从而生成用于训练自动化 EM 分析工具的定制虚拟数据集。以分段纳米颗粒分析负载型催化剂的尺寸分布为例，我们的研究结果表明，tGAN 的识别精度甚至比手动标记方法高出 5%。它还可以自适应地部署到各种数据域，而无需进一步的手动操作，这一点通过从 HAADF-STEM 到 BF-TEM 的迁移学习得到了验证。这种普遍性可能使其能够将其应用扩展到更广泛的成像表征，将显微镜学家和材料科学家从繁琐的数据集注释中解放出来。

拓扑非厄米棋盘格中的霍尔传输

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： P. G. de Oliveira, A. S. T. Pires

发布时间： 2024-07-28

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20296v1

摘要： 棋盘晶格是一种二维的非平凡结构，通常被视为烧绿石晶格的平面版本。该几何结构支持具有由复杂跳变参数引起的陈氏拓扑的双频带绝缘电子系统。受到非厄米系统拓扑最新进展的启发，在这项工作中，我们研究了拓扑棋盘格的非厄米版本。计算了复杂的能带结构和贝里曲率。在绝缘阶段，陈数与厄米版本中的相同，但霍尔电导率不再量子化。研究了霍尔电导率与非厄米参数的依赖性。非厄米性可以看作是系统与环境耦合引起的耗散的结果，因此这项研究为凝聚态物理中开放系统的拓扑结构提供了线索。

范德华分子轨道电子不稳定性 Kagome 半导体 Nb$_3$Cl$_8$：探索未来方向

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Yuya Haraguchi, Kazuyoshi Yoshimura

发布时间： 2024-07-28

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19457v1

摘要： Nb$_3$Cl$_8$ 是一种簇状莫特绝缘体，具有独特的磁性分子轨道结构，组织成呼吸戈薇晶格，展示了特殊条件下的关键相变。通过在 90 K 以下从顺磁态转变为非磁态，我们通过核磁共振和低温 X 射线衍射研究的结合阐明了这种行为，指出电荷歧化是驱动力。随后通过角分辨光电子能谱和第一原理计算进行的研究揭示了拓扑平坦能带，证实了 Nb$_3$Cl$_8$ 中先进的电子特性。这些发现不仅加深了我们对莫特绝缘体的理解，而且拓宽了我们对二维系统中拓扑、电子相互作用和量子现象之间动态相互关系的理解。因此，对 Nb$_3$Cl$_8$ 的研究为推进复杂材料系统中量子态的探索奠定了基础知识，使其成为凝聚态物理不断演化的关键模型。

通过端到端叠层电子断层扫描实现近各向同性亚埃 3D 分辨率相衬成像

分类： 计算物理, 材料科学, 机器学习, 优化与控制

作者： Shengboy You, Andrey Romanov, Philipp Pelz

发布时间： 2024-07-28

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19407v1

摘要： 使用透射电子显微镜进行三维原子分辨率成像是一项独特的功能，需要进行具有挑战性的实验。线性电子断层扫描方法受到楔形效应缺失的限制，需要高倾斜范围。多层叠层成像可以在横向上实现深亚{\AA}ngstrom分辨率，但深度分辨率仅限于2至3纳米。在本文中，我们提出并演示了一种直接从 4D-STEM 数据集重建样本静电势体积的端到端方法。端到端多切片层析断层扫描在每个断层扫描倾斜角度恢复多个切片并补偿缺失的楔形效应。该算法最初在 Pt@$\mathrm{Al_2O_3}$ 核壳纳米粒子的模拟中进行测试，其中重原子和轻原子均从未对齐的 4D-STEM 倾斜系列（倾斜范围为 90 度）以 3D 方式恢复。我们还通过实验证明了该算法，以亚{\AA}ngstrom分辨率恢复Te纳米颗粒。

NaCd4As3拓扑绝缘体和拓扑晶绝缘体相的非平衡态和相互作用

分类： 材料科学

作者： Tika R Kafle, Yingchao Zhang, Qing-Xing Dong, Xun Shi, Na Li, Richa Sapkota, Jeremy Thurston, Wenjing You, Shunye Gao, Kai Rossnagel, Gen-Fu Chen, James Freericks, Henry C Kapteyn, Margaret M Murnane

发布时间： 2024-07-28

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19404v1

摘要： 拓扑材料引起了人们极大的兴趣，因为它们可以支持对扰动具有鲁棒性的金属态，并且具有技术应用的潜力。在这里，我们通过实验探索了 NaCd4As3 中两种不同拓扑相的光致非平衡特性：拓扑晶体绝缘体 (TCI) 和拓扑绝缘体 (TI) 相。这种材料的表面态在室温下的 TCI 相中受到镜像对称性的保护，同时在低于 200 K 的温度下会经历结构相变到 TI 相。在用超快激光脉冲激发 TI 相后，我们观察到化学势位移 >150 meV，在约 0.6 ps 后缓慢建立并最大化，并持续约 8 ps。受激电子布居数和电子温度的缓慢上升时间表明电子序数和结构序数在该 TI 相中强烈耦合。它还表明，立即激发的电子态和激发后约 0.6 ps 的电子态属于不同的轨道，这可能是由于已知与 TI 相相关的晶格畸变的部分弛豫。相反，在光激发后的 TCI 相中没有观察到明显的激发态，我们将其归因于费米能级附近可用的低态密度和相空间。我们的结果表明超快激发如何探测富相拓扑材料内的激发态和相互作用。

准一维碘化铋 Bi4I4 中的拓扑相变

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： W. X. Zhao, M. Yang, X. Du, Y. D. Li, K. Y. Zhai, Y. Q. Hu, J. F. Han, Y. Huang, Z. K. Liu, Y. G. Yao, J. C. Zhuang, Y. Du, J. J. Zhou, Y. L. Chen, L. X. Yang

发布时间： 2024-07-28

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19375v1

摘要： 对拓扑量子材料和拓扑相变的探索处于现代凝聚态物理学的前沿。准一维（准一维）碘化铋 Bi4I4 表现出多种物质拓扑相，包括弱拓扑绝缘体（WTI）和高阶拓扑绝缘体（HOTI）相，对外部参数的响应具有高可调性。在这项工作中，我们采用基于激光的亚微米空间分辨率角分辨光电子能谱（micro-ARPES），全面研究了 Bi4I4 的精细电子结构和拓扑相变。我们对低温 {α} 相的检查揭示了 (100) 表面上存在能隙，为 HOTI 相提供了光谱证据。相反，高温{β}-Bi4I4在(100)表面上具有无带隙狄拉克费米子，在(001)表面上具有带隙态，从而建立了WTI相。通过跟踪（100）表面态的温度演变，我们揭示了与 {\alpha}-{\beta} 结构相变一致的表面间隙热滞后。我们的研究结果阐明了 Bi4I4 的拓扑性质，并直接证明了温度诱导的从 WTI 到 HOTI 的拓扑相变，这为准一维拓扑量子材料中基于室温拓扑相变的潜在应用铺平了道路。

高压核磁共振检测到浓氢 III 相中六方相到单斜相的转变

分类： 材料科学

作者： Meng Yang, Yishan Zhou, Rajesh Jana, Takeshi Nakagawa, Yunhua Fu, Thomas Meier

发布时间： 2024-07-28

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19368v1

摘要： 由于缺乏核心电子和消失的波矢量，氢高压相的决定性晶体结构测定仍然难以实现，这使得标准高压实验方法毫无意义。从头开始的 DFT 计算表明，结构多态性可能只能在兆巴压力下使用高分辨率核磁共振 (NMR) 光谱来解析，但迄今为止，技术挑战阻碍了此类实验。在这里，我们展示了室温下 181 GPa 至 208 GPa 的氢相 III 中的原位高压高分辨率 NMR 实验。我们的光谱表明，在较低压力下，III 相采用六方 P6122 晶体结构，在约 197 GPa 时转变为单斜 C2/c 相。高分辨率光谱与早期的结构和光谱预测非常一致，并强调了氢 III 相中 P6122 到 C2/c 相转变的可能性。这些实验表明了高压科学中从头计算和低 Z 敏感光谱探针的结合对于阐明宇宙中最丰富元素的结构复杂性的重要性。

改进的 Martin-Puplett 干涉仪，用于亚太赫兹频率下的磁光克尔效应测量

分类： 材料科学, 超导, 光学

作者： A. Glezer Moshe, R. Nagarajan, U. Nagel, T. Rõõm, G. Blumberg

发布时间： 2024-07-27

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19334v1

摘要： 我们提出了基于改进的 Martin-Puplett 干涉仪的磁光克尔效应 (MOKE) 光谱仪，利用宽频率范围内的连续波亚太赫兹低功率辐射。该光谱仪能够以亚毫弧度精度同时测量 MOKE 响应函数的频率依赖性（克尔旋转和椭圆度），无需参考测量。该仪器的多功能性使其能够与带有光学窗口的低温恒温器耦合，从而能够研究各种量子材料，例如非常规超导体、二维电子气系统、量子磁体以及在亚开尔文温度下显示光学霍尔响应的其他系统以及在高磁场中。我们使用未掺杂的 InSb 晶圆作为测试样品来演示 MOKE 光谱仪的功能。

尺寸对溶液中反应动力学的影响

分类： 化学物理, 介观和纳米物理, 材料科学, 软凝聚态物质, 统计力学

作者： Manuel Dedola, Gaia Cassarà-Airoldi, Ludovico Cademartiri

发布时间： 2024-07-27

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19319v1

摘要： 溶液中的反应需要试剂之间的“接触”。我们可以预测试剂“接触”的速率（至少在稀释条件下），但如果最初的碰撞没有导致反应，那么会发生什么？溶液相反应中的碰撞率通常用 Smoluchowski 方程（显式或隐式）描述。不幸的是，该模型描述了气体中的凝结，而不是溶液中的反应。该模型是无记忆的，即碰撞被视为随机过程，在空间和时间上彼此不知情。现实情况是，无反应的碰撞会产生记忆：粒子（甚至分子）“记住”它们刚刚碰撞，即碰撞的概率取决于它们之前发生碰撞的时间有多远。正如我们在这里所示，只要它们的大小大于溶液中布朗运动的库恩长度，这个纯粹的几何和统计事实就是有效的。在这些条件下，溶液中的颗粒即使在没有吸引力相互作用的情况下，由于统计上不太可能分离，相对较长寿命的“团簇”也保持在一起。我们通过布朗动力学模拟在此表明，由于这种记忆，这些簇的碰撞率和寿命与 Smoluchowski 模型预测的不同，与对撞机半径和库恩长度之间的比率成正比。他们的解路径，系数接近于一！

结晶氙和石墨烯莫尔异质结构中的改进狄拉克费米子

分类： 材料科学

作者： Hayoon Im, Suji Im, Kyoo Kim, Ji-Eun Lee, Jinwoong Hwang, Sung-Kwan Mo, Choongyu Hwang

发布时间： 2024-07-27

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19263v1

摘要： 二维 (2D) 晶体之间的界面通常会形成莫尔超结构，从而产生新的周期性，这是实现复杂电子相的关键元素，如扭曲双层石墨烯中所证明的那样。组合的角分辨光电子能谱测量和第一原理计算揭示了二维狄拉克半金属晶体石墨烯和稀有气体氙二维绝缘晶体之间莫尔超结构的形成。不相称的衍射图案和布里渊区中心周围的折叠狄拉克锥意味着氙原子的六方晶体阵列的形成。由于氙覆盖层增强了介电屏蔽，在石墨烯顶部形成二维氙晶体时狄拉克费米子的速度增加。这些发现不仅提供了一种通过二维材料上吸附稀有气体产生莫尔超结构的新方法，而且还通过形成石墨烯-稀有气体界面来控制石墨烯的物理性质。

微调结晶钒钼酸盐框架的微孔隙率用于选择性吸附分离氪和氙

分类： 材料科学

作者： Suchona Akter, Yong Li, Minbum Kim, Md Omar Faruque, Zhonghua Peng, Praveen K. Thallapally, Mohammad R. Momeni

发布时间： 2024-07-27

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19246v1

摘要： 空气和工业废气中 ppmv 浓度极低的化学惰性氪气和氙气稀有气体的选择性吸附捕获和分离构成了一项重要的技术挑战。在这里，利用实验和理论的协同结合，详细研究了作为高选择性 Kr 吸附剂的微孔晶体钒钼酸盐（MoVOx）。通过改变 Mo/V 比，我们首次表明，它们的一维孔隙可以针对较大 Xe 上的 Kr 的尺寸选择性吸附进行微调，选择性达到 >100。通过广泛的电子结构计算和大正则蒙特卡罗模拟，还研究了 Kr 吸收与 CO2 和 N2 之间的竞争。由于迄今为止报道的大多数材料都对比 Kr 更大、更易极化的 Xe 有选择性，这项工作构成了迈向稳健的 Kr 选择性吸附剂材料的重要一步。这项工作强调了多孔结晶过渡金属氧化物作为工业应用的节能和选择性稀有气体捕获吸附剂的潜在用途。

调节热电性能的进展：来自混合功能研究、应变工程和机器学习模型的见解

分类： 材料科学, 00A05, J.2; I.2

作者： Vipin K E, Prahallad Padhan

发布时间： 2024-07-27

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19241v1

摘要： 通过多方面策略探索拓扑绝缘体 Bi2Se3 的热电特性，即混合函数与应变和人工智能方法。使用实验带隙值的评估认识到传统泛函的局限性和筛选的混合泛函的有效性。对双轴和单轴应变对热电参数影响的彻底研究揭示了 n 型和 p 型 Bi2Se3 的独特行为，为提高性能的最佳应变条件提供了见解。此外，对拓扑非平凡表面态（TNSS）在热电性能中作用的研究表明，TNSS 显着主导电子传输。双散射时间近似阐明了热电输运贡献与体态和表面态的分离，强调了控制弛豫时间比率对于增强热电性能的重要性。此外，使用随机森林和神经网络模型对热电特性的预测与不同温度下的密度泛函理论预测表现出令人印象深刻的一致性，为理解热电特性中复杂的温度相关趋势提供了强大的工具。总之，这项跨学科研究提出了一种独特的方法来促进对 Bi2Se3 热电特性的理解和优化。它提供了一个全面的框架，可以为不同的热电应用定制材料行为。

La$_3$Ni$2$O${7-δ}$中自旋密度波的第一性原理研究

分类： 材料科学, 超导

作者： Xiao-Sheng Ni, Yuyang Ji, Lixin He, Tao Xie, Dao-Xin Yao, Meng Wang, Kun Cao

发布时间： 2024-07-27

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19213v1

摘要： 最近在高压La$_3$Ni$2$O${7-\delta}$中发现的高温超导性引起了人们的广泛关注。利用密度泛函理论，我们研究了 La$_3$Ni$2$O$7$ 在环境压力下的磁性。我们的计算表明，当 $\delta=0$ 时，双自旋条纹相更适合作为磁性基态。氧空位可以有效地将最近的镍自旋转变为电荷位点。因此，在适度的 $\delta$ 值下，我们的理论磁基态表现出双自旋条纹和自旋电荷条纹配置的特征，提供了一个自然的解释来调和看似矛盾的实验结果，表明这两种配置都是自旋的候选配置-密度波相位。随着 $\delta$ 值较高，我们预计基态将成为仅具有短程有序的旋转玻璃状非共线磁相。氧空位预计会显着影响磁激发和转变温度 $T{SDW}$。我们进一步为实验观察提供了一个合理的解释，即测量的 $T{SDW}$ 似乎对样本的变化不敏感，并且缺乏长程磁排序的直接证据。

双层石墨烯上单层 TaSe2 的结构和界面相互作用的控制

分类： 材料科学

作者： Hyobeom Lee, Hayoon Im, Byoung Ki Choi, Kyoungree Park, Yi Chen, Wei Ruan, Yong Zhong, Ji-Eun Lee, Hyejin Ryu, Michael F. Crommie, Zhi-Xun Shen, Choongyu Hwang, Sung-Kwan Mo, Jinwoong Hwang

发布时间： 2024-07-27

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19207v1

摘要： 二维 (2D) 晶体之间界面效应的可调性不仅对于理解每个系统的固有特性至关重要，而且对于设计基于超薄异质结构的电子器件也至关重要。这种异质结构工程的先决条件是具有不同程度的界面相互作用的二维晶体的可用性。在这项工作中，我们报告了使用分子束外延在双层石墨烯（BLG）基板上控制外延生长具有不同结构相（1H 和 1T）的单层 TaSe2，及其使用角度分辨光电发射对异质结构电子性能的影响光谱学。 1H-TaSe2 在界面处表现出显着的电荷转移和能带杂化，而 1T-TaSe2 与基底的相互作用较弱。不同的界面相互作用归因于功函数差异以及 TaSe2 薄膜和 BLG 衬底之间相对层间距离的双重影响。这里演示的方法为各种过渡金属二硫属化物的界面工程提供了一条可行的途径，可应用于具有设计电子特性的未来纳米器件。

磁畴壁对 HfO2 基铁电体压印和疲劳的作用

分类： 材料科学

作者： Muting Xie, Hongyu Yu, Binhua Zhang, Changsong Xu, Hongjun Xiang

发布时间： 2024-07-27

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19197v1

摘要： HfO2基铁电材料有望成为下一代存储器件，引起了广泛关注。然而，它们的潜在应用受到疲劳和压印现象的严重限制，这些现象会影响设备的寿命和存储能力。在这里，为了准确描述 HfO2 的动力学和场效应，我们采用了新开发的 DREAM-Allegro 网络方案，并开发了 HfO2 的综合机器学习模型。该模型不仅可以预测原子间势，还可以预测玻恩有效电荷。应用这样的模型，我们探索了域动力学在 HfO2 中的作用，发现疲劳和印记现象与所谓的 E 路径和 T 路径切换路径密切相关。基于两条路径中原子运动的不同，我们提出倾斜电场可以充分抑制疲劳并提高HfO2基铁电器件的性能。

具有极端弹性各向异性的平面结构材料

分类： 材料科学

作者： Jagannadh Boddapati, Chiara Daraio

发布时间： 2024-07-27

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19136v1

摘要： 通过减少对称性来设计各向异性结构材料会产生独特的行为，例如单轴压缩或拉伸下的剪切。这种与方向相关的耦合机械现象对于能量重定向等应用至关重要。虽然等级不足的材料（例如分层层压板）已被证明表现出极端的弹性各向异性，但对于通过单尺度制造技术可实现的完全各向异性弹性张量的了解有限。实现极端弹性各向异性的各向异性模量没有确定的上限和下限，类似于各向同性复合材料中的 Hashin-Shtrikman 边界。在本文中，我们估计了单尺度二维结构材料实现的各向异性刚度张量的范围。为了实现这一目标，我们首先使用周期性余弦函数的线性组合开发周期性各向异性单尺度晶胞几何形状的数据库。该数据库涵盖了广泛的各向异性弹性张量，然后将其与分层层压板的弹性张量进行比较。通过这种比较，我们确定了属性空间中需要分层设计才能实现极值属性的区域。我们演示了一种使用晶胞的余弦函数表示来构造各种二维功能梯度结构的方法。这些分级结构在具有不同模式的晶胞之间无缝插值，允许独立控制多个功能梯度，例如孔隙率、各向异性模量和对称性。当设计单元格位于属性空间的极端部分时，分级结构表现出独特的机械行为。对特定的分级设计进行数值研究，以观察选择性应变能局部化、拉伸下的压缩应变和局部旋转等行为。

ReactCA：用于预测固态反应中相演化的元胞自动机

分类： 材料科学

作者： Max C. Gallant, Matthew J. McDermott, Bryant Li, Kristin A. Persson

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19124v1

摘要： 为了加速高通量材料发现工作流程提出的新型功能材料的实验实现，需要用于固态合成配方设计的新计算工具。这项工作提供了一个元胞自动机模拟框架（ReactCA），用于预测固态反应期间中间体和产物相随时间的演变，作为前体选择和数量、反应气氛和加热曲线的函数。该模拟捕获了基本的动力学效应、反应物颗粒空间分布、颗粒熔化和反应气氛的影响。它使用随机、异步演化规则实现质量守恒，并使用来自材料项目 [1] 的密度泛函理论数据以及吉布斯自由能的熔点 [2] 和振动熵分量的机器学习估计器来估计反应速率[3]。由此产生的模拟框架允许在进行任何实验之前预测反应配方的可能结果。我们分析了文献中找到的 BaTiO$_3$、CaZrN$_2$ 和 YMnO$_3$ 的五种实验固态配方，以说明该模型在捕获反应路径方面的性能，作为温度、反应选择性和反应影响的函数。前驱选择。我们的方法可以将中间体和产品的预测质量分数与实验结果进行直接比较。该模拟框架向$\textit{in silico}$合成配方设计迈出了一步，并提供了一种更简单的方法来优化现有配方，帮助识别中间体并确定尚未实现的无机固体的有效配方。

磁性多层薄膜中的混合斯格明子是半整数Hopfion

分类： 材料科学

作者： William S. Parker, Jacques A. Reddinger, Benjamin J. McMorran

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19085v1

摘要： 磁性斯格明子是手性自旋结构，因其新颖的物理性质和作为自旋电子信息载体的潜在应用而吸引了人们的广泛研究。使它们具有如此潜在用途的稳定性是其基础的非平凡拓扑的结果。虽然斯格明子最初是在缺乏反演对称性的晶体材料中预测和观察到的，但一些最有前途的斯格明子主体系统是多层薄膜，其中斯格明子在环境条件下稳定，这对于它们在现实世界设备中的使用至关重要。多层薄膜中发现的斯格明子具有额外的三维结构，它们的畴壁螺旋扭曲穿过薄膜的厚度，形成由布洛赫型核和具有相反手性的 N'eel 型帽组成的混合斯格明子。表面。在这项工作中，我们证明这种三维变化创造了额外的打结拓扑结构，为它们在环境条件下的卓越稳定性提供了解释。我们证明混合斯格明子可以描述为半整数霍普夫子，并且它们的场线具有霍普夫纤维的打结结构。此外，我们表明部分扭曲的混合斯格明子的拓扑电荷可以与表面的畴壁螺旋度相关，提供了一种将实验测量与基础拓扑连接起来的直接方法。

单元素二维碲的超高热释电

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Hari Krishna Mishra, Ayushi Jain, Dalip Saini, Bidya Mondal, Chandan Bera, Shanker Ram, Dipankar Mandal

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19083v1

摘要： 我们报告了二维 (2D) 碲 (Te) 纳米片（厚度，d = 4 至 5 nm）的范德华键合层在周期性开关温度振荡下的超高热释电响应。首次观察到大热释电系数 Pc ~ 3 mC.m-2.K-1，比传统最先进的热释电体（锆钛酸铅，PZT）高八倍。第一性原理计算指出，非中心对称性（C2空间群的高阶对称性）的1-3层Te层（P-3m1空间群）的中心对称性在角扭曲上被破坏。二维 Te 中奇异电子态的 Te-Te 键。有角度的 Te-Te 扭曲在 101 cm-1 处产生表面增强拉曼带（散装 Te 中不存在）。玻恩有效电荷、面内压电性和热膨胀系数的刺激被证明可以定制大热释电。因此，二维Te纳米片为热释电材料的广泛应用提供了新的范例，以开发基于热能的柔性电子产品。

变形引起的非晶化的相场模型

分类： 材料科学

作者： Yuntong Huang, Shuyang Dai, Chuqi Chen, Yang Xiang

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.19043v1

摘要： 在各种晶体材料中已经观察到由严重塑性变形引起的非晶化。然而，由于微观结构演化和变形机制的复杂性，开发应变诱导非晶化的定量和综合理论仍然具有挑战性。我们提出了一种与弹塑性理论相结合的相场模型来研究纳米晶材料中应变引起的非晶化。结晶相和非晶相的塑性行为通过有限应变理论通过应变能与相演化耦合。这种耦合模型能够定量探索各种缺陷对非晶相（例如剪切带）形成的影响。使用我们的模型进行的模拟预测，非晶形核发生在马氏体转变之后，并且主要发生在高应力的局部区域内，包括剪切带。我们的结果还表明，随着晶粒尺寸的增加，非晶化的临界塑性应变增加。这些发现与实验结果非常吻合，验证了所提出的模型在捕获变形引起的非晶化的关键特征方面的有效性。我们的工作为变形引起的非晶化提供了宝贵的见解，并为开发具有复杂微观机制的更多定量模型奠定了基础。

探索材料设计和发现的量子主动学习

分类： 量子物理学, 材料科学, 原子和分子簇, 化学物理

作者： Maicon Pierre Lourenço, Hadi Zadeh-Haghighi, Jiří Hostaš, Mosayeb Naseri, Daya Gaur, Christoph Simon, Dennis R. Salahub

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18731v1

摘要： 人工智能（AI）和量子计算的相遇已经成为现实；量子机器学习（QML）有望设计出更好的回归模型。在这项工作中，我们使用经典主动学习 (AL) 扩展了之前的材料发现研究，探索了 AL 框架 (QAL) 中量子算法在 MLChem4D 和 QMLMaterials 代码中实现的用途，这显示了显着的数据经济性。所提出的 QAL 使用具有各种量子内核和不同特征图的量子支持向量回归器（QSVR）或量子高斯过程回归器（QGPR）。数据集包括钙钛矿特性（压电系数、带隙、能量存储）以及选择用于与经典 AL 结果进行比较的掺杂纳米粒子 (3Al@Si11) 的结构优化。我们的结果表明，QAL 方法在大多数情况下（但不是全部）改善了搜索，这似乎与数据的粗糙度相关。 QAL 具有在化学领域、材料科学和化学其他领域找到最佳解决方案的潜力。

Al0.6Sc0.4N-on-SiC 谐振器中的瑞利波抑制

分类： 材料科学

作者： Marco Liffredo, Silvan Stettler, Federico Peretti, Luis Guillermo Villanueva

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20286v1

摘要： 我们报告了在 4H-SiC 衬底上制造由 Sc 掺杂 AlN (AlScN) 薄层制成的混合 SAW/BAW 谐振器，其中 Sc 浓度为 40 at%。由垂直电场激发的 Sezawa 模式利用 d31 压电系数在 AlScN 中传播纵向声波。谐振频率是通过深紫外 (DUV) 光刻定义的叉指换能器 (IDT) 中的节距来确定的。由于压电材料和基底材料之间的声相速度不匹配，谐振模式在压电层中传播而不会在基底中泄漏。我们展示了压电层和 IDT 层厚度对两种发现模式的影响。重要的是，我们展示了薄压电层和电极层如何有效抑制瑞利模式。虽然 AlScN 沉积中对于大耦合系数 k_eff^2 仍然存在一些挑战，但我们展示了 IDT 中的波限制如何获得良好的品质因数。我们还展示了如何修改 IDT 反射率来设计阻带，以防止在谐振频率和反谐振频率之间激发不需要的模式。最后，我们使用制造和测量的设备验证模拟，并提出对该谐振器架构的可能改进。

揭示$TbMn_{6}Sn_{6}$中自旋重定向的时间尺度

分类： 材料科学

作者： Sinéad A. Ryan, Anya Grafov, Na Li, Hans T. Nembach, Justin M. Shaw, Hari Bhandari, Tika Kafle, Richa Sapkota, Henry C. Kapteyn, Nirmal J. Ghimire, Margaret M. Murnane

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18894v1

摘要： $TbMn_{6}Sn_{6}$ 是一种亚铁磁材料，在室温附近表现出极不寻常的相变，其中自旋保持共线，而总磁矩从面外旋转到面内。这种现象背后的机制已经在准静态极限下进行了研究，并且重新取向归因于 Tb 和 Mn 的竞争各向异性，它们的磁矩具有非常不同的温度依赖性。在这项工作中，我们首次测量了 $TbMn_{6}Sn_{6}$ 中的自旋重定向跃迁。通过利用 Mn M 边缘处的横向磁光克尔效应 (TMOKE) 探测非常小的信号，我们发现重新定向时间尺度从 12 ps 到 24 ps，具体取决于激光激发通量。然后，我们使用具有温度依赖性磁晶各向异性场的简单自旋进动模型验证这些数据，以表明自旋重定向时间尺度与约 $\approx$ meV 尺度上非常大的各向异性能量驱动的重定向一致。令人鼓舞的是，该模型预测了平面外力矩在一系列激励影响下可能发生 180 度重新定向。这可以促进非常稳定的基态之间的光控磁化强度切换，这在自旋电子学或数据存储中可能有有用的应用。

使用 ClayCode 对真实的粘土系统进行建模

分类： 材料科学

作者： Hannah Pollak, Matteo T. Degiacomi, Valentina Erastova

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18882v1

摘要： 粘土是一类广泛存在的层状材料。它们特定的化学物理特性与其分子结构密切相关，具有被取代破坏的重复模式。分子动力学模拟可以深入了解导致这些层状材料的新兴特性的机制，但是到目前为止，已经模拟了理想化的粘土结构，以使建模过程易于处理。我们推出了 ClayCode，该软件有助于对与实验确定的结构非常相似的粘土系统进行建模。通过将现实模型与常用的蒙脱石粘土模型进行比较，我们证明理想化模型具有明显不同的离子吸附模式。然后，我们提出了 ClayCode 的应用，以研究怀俄明州蒙脱石、佐治亚州高岭石和蒙大拿州伊利石上的钡和钠竞争吸附，这在核废料处理中很重要。

有机半导体中的电子-声子耦合和迁移率建模：并四苯多晶型物的方法和应用

分类： 材料科学

作者： Patrizio Graziosi, Raffaele Guido Della Valle, Tommaso Salzillo, Simone d'Agostino, Martina Zangari, Elisabetta Cane', Matteo Masino, Elisabetta Venuti

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18824v1

摘要： 我们开发了一种第一原理方法来计算晶体有机半导体布里渊区中特定模式和 q 点的电子声子耦合。利用获得的耦合强度，我们提出了一种计算电子和空穴与温度相关的迁移率的方法。该方法适用于并四苯的本体和薄膜多晶型物。为了验证我们对电子结构和振动特性的处理，我们计算了晶格声子区域的拉曼光谱并将其与实验数据进行比较。然后，我们将计算的迁移率与单晶的可用数据进行比较，在实验范围内发现良好的一致性，特别是在考虑可能的带电杂质时。最后，我们讨论了观察到的多晶型物之间的差异。

使用相互作用空间建模解开无序材料中的竞争相互作用

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络

作者： Ella M. Schmidt, Arkadiy Simonov

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18815v1

摘要： 理解和操纵有意引入的无序与材料特性之间的关系需要有效的表征技术。例如，单晶漫散射实验可以深入了解局域有序现象背后的驱动力。在这项工作中，我们提出了一种基于平均场理论的时间和资源高效的方法，该方法量化局部相互作用能量，但与其他技术不同，不需要计算昂贵的超级单元模型。该方法用于量化功能无序材料中的竞争相互作用，例如无序岩盐阴极材料和共享底层面心晶格的普鲁士蓝类似物。

SrTiO$_3$ 和 KTaO$_3$ 中的电子迁移率：声子非谐性、质量重正化和无序的作用

分类： 材料科学

作者： Luigi Ranalli, Carla Verdi, Marios Zacharias, Jacky Evens, Feliciano Giustino, Cesare Franchini

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18771v1

摘要： 准确预测强非谐固体中的载流子迁移率需要精确表征作为温度函数的晶格动力学。通过改进玻尔兹曼输运方程，我们在 150 K 以上的温度下实现了与块状 KTaO$_3$ 和 SrTiO$_3$ 的实验电子迁移率数据的一致性。这种改进包括将温度相关的非谐声子本征频率和本征模合并到电子-声子相互作用张量中，同时保持密度泛函微扰理论中计算的 Kohn-Sham 势的导数。使用高效的机器学习力场和随机自洽谐波近似，我们准确地计算动力学矩阵。在室温下，SrTiO$_3$ 的计算迁移率超出实验值一个数量级，而 KTaO$_3$ 的高估则不太明显。这种差异可以通过由于非谐波电子声子耦合和 SrTiO$_3$ 中局部无序的存在而导致导带底部附近更显着的电子质量重正化来解释。

利用光来偏振和检测硅中的电子自旋

分类： 材料科学

作者： Xavier Marie, Delphine Lagarde, Andrea Balocchi, Cedric Robert, Laurent Lombez, Pierre Renucci, Thierry Amand, Fabian Cadiz

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18742v1

摘要： 尽管进行了数十年的研究，但对硅中自由电子自旋的全光学检测和控制的演示仍然难以实现。在这里，我们通过测量圆偏振光激发后发光的偏振来直接探测体硅中的电子自旋特性。对直接和间接间隙激发进行的实验不仅可以实验确定硅中不同声子辅助跃迁的光学选择规则，而且还可以在使用传输技术无法实现的条件下测量电子的自旋弛豫。我们还测量了块体硅中自由激子的自旋特性，这是一个很少被探索的领域。

液态积分方程理论比较

分类： 软凝聚态物质, 材料科学, 统计力学, 化学物理

作者： Ilian Pihlajamaa, Liesbeth M. C. Janssen

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18680v1

摘要： Ornstein-Zernike 方程是液态理论中预测流体结构和热力学性质的强大工具。与合适的闭合装置相结合，它已被证明可以重现例如。高精度地测量液体的静态结构系数、压力和可压缩性。然而，在 Ornstein-Zernike 方程存在的众多闭包中，很难先验地预测哪个闭包将为当前系统提供最准确的预测。为了缓解这个问题，我们在一组精选的代表性基准系统上比较了许多闭包的预测能力，包括具有硬球、逆幂律、高斯核心和伦纳德-琼斯粒子的三维和二维系统。例如，我们发现在所有研究的案例中，众所周知且广泛使用的 Percus-Yevick 闭包的预测结果明显比同等复杂度的鲜为人知的闭包差。我们预计，我们的结果中观察到的趋势将有助于就关闭选择做出更明智的决策。为了促进采用更现代的闭合理论，我们还打包、记录和分发了对给定闭合和对相互作用势进行数值求解方程所需的代码。

扭曲双层 TMDC 中的层间拉曼模式

分类： 材料科学

作者： Eileen Schneider, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Janina Maultzsch

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18643v1

摘要： 扭曲双层二维过渡金属二卤化物（TMDC）表现出一系列新颖的现象，例如莫尔激子和强相关相的形成。层之间的耦合对于最终的物理特性至关重要，并且不仅取决于扭转角度，还取决于制造过程的细节。在这里，我们提出了一种通过拉曼光谱分析这种层间耦合的方法。通过激发 TMDC 的 C 激子共振，光学（高频）层间拉曼模式被激活，该模式在激发能量远低于 C 激子时强度太弱。这是由于 C 激子的波函数，与 A 和 B 激子相反，它在两个层上扩展，因此以电子方式耦合这些层。我们提出了扭曲 2L TMDC 中的光学层间拉曼模式，并表明它们可以用作各层之间层间耦合的测量。

解开铁电极化全光开关中的热双折射和应变

分类： 材料科学, 光学

作者： Maarten Kwaaitaal, Daniel G. Lourens, Carl S. Davies, Andrei Kirilyuk

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18598v1

摘要： 最近的研究表明，用强窄带红外脉冲对晶体材料进行光激发，以匹配晶体介电常数接近于零的频率，可以驱动磁性和铁电有序性的永久逆转。然而，从微观上支持这种效应的物理机制以及激光诱导加热和宏观应变的精确作用仍不清楚。在这里，我们探索红外脉冲如何同时在铁电钛酸钡中产生强烈的温度依赖性双折射和应变。我们开发了这两种共存效应的模型，使我们能够使用偏振显微镜通过它们的空间分布、时间演化和光谱依赖性来理清它们。我们通过实验观察到应变诱发的图案比单独激光诱发加热所能解释的图案大一个数量级，这表明非热效应也一定发挥了作用。我们的结果揭示了热和应变引起的双折射的独特指纹，为 epsilon 接近零状态下阶次参数的全光切换过程提供了新的线索。

二维系统无间隙极限中的发散位移电流响应

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 其他凝聚态物质, 光学

作者： Hiroki Yoshida, Shuichi Murakami

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18565v1

摘要： 研究了二维系统在无间隙极限下的位移电流响应。随着能隙变小，能带边缘的带间跃迁概率变大。我们发现，当系统在无间隙极限下变成二维韦尔半金属时，移位电流响应的发散与间隙尺寸的倒数成正比。这种行为与电极化的行为不同，电极化在无间隙情况下会发生跳跃。这意味着电极化和位移电流之间的定量关系在这个无间隙极限下被打破。

宽带隙六方 AlPO4 化合物物理性质及其可能应用的第一性原理研究

分类： 材料科学

作者： A. S. M. Muhasin Reza, Md. Asif Afzal, S. H. Naqib

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18522v1

摘要： 在这项研究中，我们利用密度泛函理论，研究了六方AlPO4化合物的结构、电子能带结构、弹性性能、热性能、光学性能和键合特性等体物理性质。我们优化的结构参数值与之前的结果非常接近。这项工作中提出的大多数结果都是新颖的。弹性常数表明 AlPO4 具有机械稳定性和脆性。该化合物硬度适中，切削加工指数低。 AlPO4具有显着的弹性各向异性。首次研究了电荷密度分布、键布居分析、维氏硬度、热机械性能和光学性能。电子能带结构计算揭示了带隙为 6.0 eV 的清晰绝缘行为。在不使用和使用自旋轨道耦合 (SOC) 的情况下进行能带结构计算，以探索可能的拓扑特征。能量依赖的光学特性符合电子能带结构计算。本研究详细计算和讨论了介电函数、折射率、光电导、吸收系数、损耗函数和反射率等主要光学特性。该化合物具有光学各向异性。它是一种有效的紫外线吸收剂和反射剂。

晶格畸变导致晶体 Cs$_3$Bi$_2$I$_6$Cl$_3$ 中的玻璃态热传输

分类： 材料科学

作者： Zezhu Zeng, Zheyong Fan, Chen Chen, Ting Liang, Yue Chen, Geoff Thornton, Bingqing Cheng

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18510v1

摘要： 在晶体无机钙钛矿（例如 Cs$_3$Bi$_2$I$_6$Cl$_3$）中观察到的玻璃态热导率令人困惑且缺乏理论解释。在这里，我们首先在合成Cs$_3$Bi$_2$I$_6$Cl$_3$单晶后，通过实验测量了其从20K到300K的热传输行为。利用机器学习势驱动的路径积分分子动力学模拟，我们发现Cs$_3$Bi$_2$I$_6$Cl$_3$在低温下具有较大的晶格畸变，这可能与较大的原子尺寸失配有关。采用正则化维格纳热传输理论，我们重现了基于晶格扭曲结构的实验热导率。因此，这项研究为预测​​和理解具有强晶格无序的材料中的玻璃态热传输提供了一个框架。

SiO$_2$介导的螺线石型Co$_2$Te$_3$O$_8$的简便水热合成

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Austin M. Ferrenti, Natalia Drichko, Tyrel M. McQueen

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18477v1

摘要： 新型材料的水热合成通常依赖于对反应溶液中存在的所有阳离子的氧化还原活性的了解以及所谓矿化剂的小工具集来调节溶液的整体化学势。在使用不太传统的矿化剂物质 SiO$_2$ 后，我们证明了螺线石型 Co$_2$Te$_3$O$_8$ 在比以前的报告更弱的水热条件下的稳定性。当在 SiO$_2$ 和各自的碱金属碳酸盐作为辅助矿化剂存在下合成时，主体结构中的硅取代碲变得明显，并且相应引入的无序导致增强的低温铁磁性。我们的结果强调了未充分利用和组合矿化剂物种在通过水热合成技术稳定和调节复杂磁性基态方面的复杂性。

层状金属反铁磁体 EuAl$_2$Si$_2$ 中的大能斯特效应

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Kunya Yang, Wei Xia, Xinrun Mi, Yiyue zhang, Long zhang, Aifeng Wang, Yisheng Chai, Xiaoyuan Zhou, Yanfeng Guo, Mingquan He

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18460v1

摘要： 大的能斯特效应有利于在单个组件内开发横向能斯特热电发电机或埃廷斯豪森冷却器，避免纵向塞贝克热电装置中电子和空穴模块的复杂性。我们报告了层状金属反铁磁体 EuAl$_2$Si$_2$ 中在 8 K 和 13 T 下达到 130 uV/K 的大能斯特信号。值得注意的是，这种大型横向能斯特热电势比纵向热电势大两个数量级。能斯特系数分别在 3 T 和 13 T 时在 4 K 和 8 K 处达到峰值。在相似的温度下，霍尔系数和塞贝克信号都会改变符号。此外，磁导率揭示了具有高迁移率的近补偿电子和空穴载流子（4 K 时 $\sim$ 4000 cm$^2$/Vs）。这些发现表明，EuAl$_2$Si$_2$ 中的大能斯特效应和消失的塞贝克热电势是由于补偿的电子和类空穴能带，以及费米能级附近韦尔能带的高迁移率造成的。我们的结果强调了能带补偿和拓扑费米学在实现大能斯特热电势和探索低温下潜在的能斯特热电应用方面的重要性。

基底上扭曲双层石墨烯的变形和电子衍射的弹性板基础

分类： 材料科学

作者： Moon-ki Choi, Suk Hyun Sung, Robert Hovden, Ellad B. Tadmor

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18459v1

摘要： 其基础源自弹性板理论，该理论量化了扭曲双层石墨烯 (TBG) 的平衡和动态变形以及电子衍射图案。该基础是通过求解非受力平行四边形弹性板的面内和面外简正模态得出的。我们表明，仅几个基本项的组合就成功地捕获了使用原子模拟计算的有或没有底层基板的松弛 TBG 结构。通过与电子衍射实验的比较验证了结果。本文附带了从实验电子衍射图像中提取弹性板基本系数的代码。还通过原子模拟计算声子能带结构来研究 TBG 动力学。根据模态形状和频率检查 $\Gamma$ 点的低能声子。这些模式由简单的弹性板模型捕获，该模型具有均匀分布的弹簧，用于层间和基板的相互作用。

Bi$_2$O$_2$Se 巨型二次谐波发生的相位工程

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Zhefeng Lou, Yingjie Zhao, Zhihao Gong, Ziye Zhu, Mengqi Wu, Tao Wang, Jialu Wang, Haoyu Qi, Huakun Zuo, Zhuokai Xu, Jichuang Shen, Zhiwei Wang, Lan Li, Shuigang Xu, Wei Kong, Wenbin Li, Xiaorui Zheng, Hua Wang, Xiao Lin

发布时间： 2024-07-26

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18458v1

摘要： 具有显着二次谐波产生 (SHG) 的二维 (2D) 材料为未来片上非线性光学带来了希望。既具有巨大的二次谐波响应又具有环境稳定性的相关材料是人们长期寻求的目标。在这里，我们展示了高性能半导体 Bi$_2$O$_2$Se (BOS) 在单轴应变下的相工程产生的巨大倍频。在应变 20 nm-BOS 薄膜中捕获的 SHG 信号超过厚度相似的 NbOI$_2$ 和 NbOCl$_2$ 的信号十倍，并且比单层 MoS$_2$ 高四个数量级，从而产生显着的1 nm V$^{-1}$ 量级的二阶非线性磁化率。有趣的是，应变能够在室温下连续调节铁电相变。因此，通过应变或热调制可以实现约六个数量级的二次谐波的异常大的可调性。这种巨大的二次谐波源自布洛赫波函数的几何相位，并通过这种空气稳定的二维半导体中的多种方法与灵敏的可调谐性相结合，为设计芯片级可切换非线性光学器件开辟了新的可能性。

碳纳米管作为超材料和纳米结构的基础：通过设计优化进行制作

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Marko Čanađija, Stefan Ivić

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20275v1

摘要： 由碳纳米管制成的纳米桁架结构在两个概念应用中进行了研究：作为超材料的构建块或用于纳米结构应用。纳米桁架针对不同目的进行了优化，包括用于制定优化问题的各种载荷、边界条件、参数化、目标和约束。该过程依赖于最近开发的框架，包括分子动力学模拟、神经网络和有限元。该框架现在用于纳米结构的设计优化，并对不同流行的启发式优化方法的性能进行了比较。详细分析了由碳纳米管制成的纳米桁架的五种应用，以研究此类结构的机械行为和优化效率。除了介绍性示例外，还介绍了能量捕获碳纳米管纳米桁架、拉胀纳米桁架、悬臂纳米桁架的设计以及超材料抗压强度的最大化。结果表明，碳纳米管卓越的机械性能确实可以用于开发具有非凡机械性能的结构和材料。尽管受到问题的材料和几何非线性的阻碍，但大多数经过测试的优化方法已被证明是此类材料和结构设计的良好选择。

无需先验知识即可学习物理一致的材料行为

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Zhichao Han, Mohit Pundir, Olga Fink, David S. Kammer

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.20273v1

摘要： 准确建模材料的机械行为对于许多工程应用至关重要。这些模型的质量直接取决于定义应力-应变关系的本构定律的准确性。发现这些本构材料定律仍然是一项重大挑战，特别是当只有材料变形数据可用时。为了应对这一挑战，人们提出了无监督机器学习方法。然而，现有的方法有几个局限性：它们要么无法确保学习的本构关系符合物理原理，要么依赖预定义的本构关系库或手动制作的输入特征。这些依赖关系需要大量的专业知识和专业领域知识。在这里，我们介绍了一种称为 uLED 的机器学习方法，它通过使用输入凸神经网络（ICNN）作为替代本构模型来克服局限性。我们改进了训练 ICNN 的优化策略，允许使用直接应变不变量作为各种材料的输入进行端到端训练。此外，我们利用内部域的节点力平衡作为训练目标，这使我们能够仅从时间位移记录中学习本构关系。我们验证了所提出的方法在各种材料定律上的有效性。我们证明它对高水平的噪声具有鲁棒性，并且随着数据分辨率的提高它会收敛到地面事实。我们还表明，可以使用测试样本子域的位移场有效地训练模型，并且从一个材料样本中学习到的本构关系可以转移到具有不同几何形状的其他样本。所开发的方法为发现本构关系提供了有效的工具。

通过形态控制保持纳米催化剂的表面应变

分类： 材料科学, 原子物理学, 化学物理

作者： Chuqiao Shi, Zhihua Cheng, Alberto Leonardi, Yao Yang, Michael Engel, Matthew R. Jones, Yimo Han

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18374v1

摘要： 工程应变严重影响材料的性能，在半导体和量子系统中具有广泛的应用。然而，应变工程纳米催化剂的部署面临挑战，特别是在反应条件下维持高度应变的纳米晶体。在这里，我们引入了一种形态依赖性效应，即使在恶劣的反应条件下也能稳定表面应变。采用四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM），我们发现具有锐边形态的核壳Au@Pd纳米粒子维持具有指定表面应变的相干异质外延界面。正如分子动力学模拟所表明的那样，这种配置由于拐角处的剪切应力减小而抑制了位错。在铃木型交叉偶联反应中证明，由于表面应变稳定性增强，我们的方法比传统纳米催化剂的活性提高了四倍。这些发现有助于推进先进纳米催化剂的开发，并表明应变工程在各个领域的更广泛应用。

超薄铁磁体-重金属双层中 Rashba 磁性的观察

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Sergei Ivanov, Yiou Zhang, Joshua Peacock, Vladislav E. Demidov, Sergej O. Demokritov, Nicholas Brookes, Bjorn Wehinger, John W. Freeland, Sergei Urazhdin

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18299v1

摘要： 具有破坏的反演对称性的系统中的磁性和自旋轨道耦合都会提升电子能带的自旋简并性，但这些机制之间相互作用的后果仍然知之甚少。在这里，我们发现超薄过渡铁磁体-重金属双层在居里温度附近表现出异常的温度和电偏压依赖性行为，与通常的韦斯磁性不一致。通过几种互补技术的表征以及对成分依赖性的分析表明，这些效应源于界面自旋轨道相互作用，从而导致出现具有独特磁性和磁电特性的状态，可以将其描述为 Rashba 磁性。我们的研究结果为异质结构中自旋轨道现象的表征和控制开辟了一条新途径，从而能够开发高效的自旋轨道电子器件。

受挫装配和不兼容图形的统计力学

分类： 软凝聚态物质, 无序系统和神经网络, 材料科学, 统计力学, 数学物理, 数学物理

作者： José M. Ortiz-Tavárez, Zhen Yang, Nicholas Kotov, Xiaoming Mao

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18210v1

摘要： 结构单元不匹配的几何受挫组件已被证明会产生从自限生长、纤维形成到结构复杂性等有趣的现象。我们引入了几何受挫组件的图论公式，通过不相容流的概念捕获受挫相互作用，提供结构连通性和受挫之间的直接联系。该理论为受挫装配的基本统计力学提供了一个最小但全面的框架。通过数值模拟，该理论揭示了受挫组件的新特征，包括结构和应力的两种不同的渗透转变、由无序控制的累积和非累积挫败之间的交叉，以及它们响应中不同的长度尺度。

首次演示具有改进内存窗口的 HZO/beta-Ga2O3 铁电 FinFET

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Seohyeon Park, Jaewook Yoo, Hyeojun Song, Hongseung Lee, Seongbin Lim, Soyeon Kim, Minah Park, Bongjoong Kim, Keun Heo, Peide D. Ye, Hagyoul Bae

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18187v1

摘要： 我们首次通过实验证明了 β-氧化镓 (beta-Ga2O3) 铁电鳍式场效应晶体管 (Fe-FinFET) 的有效性。原子层沉积（ALD）铪锆氧化物（HZO）用作铁电层。 HZO/beta-Ga2O3 Fe-FinFET 的传输特性具有比传统平面 FET 更宽的逆时针磁滞回线，在单个 HZO 层中实现了 13.9 V 的创纪录高存储窗口 (MW)。当归一化为实际沟道宽度时，FinFET 显示出 2.3x10^7 的改进 ION/IOFF 比和 110 mV/dec 的亚阈值摆幅值。增强的特性归因于低界面态密度 (Dit)，显示出 β-Ga2O3 和 HZO 层之间良好的界面特性。使用 Sentaurus TCAD 验证了 FinFET 中整个铁电层上较大电场导致的增强极化。经过 5x10^6 编程/擦除 (PGM/ERS) 循环后，MW 保持在 9.2 V，测量保留时间长达 3x10^4 s，且退化程度较低。因此，超宽带隙 (UWBG) Fe-FinFET 被证明是高密度非易失性存储器件的有前途的候选者之一。

晶粒微观结构演化的多物理模型

分类： 材料科学

作者： Izzet Tarik Tandogan, Michael Budnitzki, Stefan Sandfeld

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18088v1

摘要： 当金属在高温下（即高于 300 摄氏度）进行机械加载时，其晶粒微观结构会因多种物理机制而发生变化。其中两个是由于流动性增加而导致的曲率驱动的晶界迁移，以及由于严重的塑性变形而形成的亚晶粒。在严重塑性变形后的热处理过程中也观察到类似的现象。晶界迁移和塑性变形同时改变任何给定材料点的晶格取向，这很难一致地模拟。大多数现有的模拟方法通过依次应用单独的、专门的机械变形和晶界迁移模型来解决这个问题。人们认识到 Cosserat 连续体代表了导致晶格重新定向的不同机制之间耦合的理想框架，因为旋转是这种设置中的固有自由度，因此取得了重大进展。在这项工作中，我们提出并实现了一个多物理模型，该模型将 Cosserat 晶体塑性与 Henry-Mellenthin-Plapp (HMP) 型取向相场耦合在一个热力学一致的微结构演化框架中。与基于 Kobayashi-Warren-Carter (KWC) 相场的模型相比，HMP 公式从自由能密度中删除了取向梯度中的线性非物理项，从而消除了晶界之间的长程相互作用。此外，HMP 取向相场可以处理倾斜相关的晶界能量。我们在二维有限元框架内评估模型的预测和数值性能，并将其与之前发布的基于 KWC 相场与 Cosserat 力学相结合的结果进行比较。

用于可靠、大面积、宽带太赫兹波调制器的电激活 W 掺杂 VO2 薄膜

分类： 材料科学

作者： Eduard-Nicolae Sirjita, Alexandre Boulle, Jean-Christophe Orlianges, Richard Mayet, Aurélien Debelle, Lionel Thomé, Maggy Colas, Julie Cornette, Aurelian Crunteanu

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18080v1

摘要： 太赫兹幅度调制器和开关被认为是未来太赫兹通信系统的主要构建模块。尽管进展迅速，但该电磁频谱中的调制和开关设备远远落后于其他频率范围。目前，太赫兹调制器面临着在大频段上持续产生高调制深度的重大挑战。此外，实际应用的方便集成需要可以电控制调制/开关特性。满足所有这些条件的设备仍有待论证。在这项工作中，我们表明，通过直流磁控溅射生长的 W 掺杂 VO2 薄膜可以有效地用于开发可靠的大面积宽带太赫兹波调制器。我们证明，W 掺杂不仅可以调节 VO2 的绝缘体到金属转变 (IMT) 温度，而且最重要的是，可以控制电激活转变的拓扑。器件的原位/操作 X 射线衍射和拉曼光谱表征，再加上标准电阻率测量和时域太赫兹光谱，明确证明 IMT 空间分布的变化是由于 W 引起的结构畸变造成的。兴奋剂。

使用多层电子叠层成像技术对间隙原子进行成像

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Zhen Chen, Yu-Tsun Shao, Steven E. Zeltmann, Harikrishnan K. P., Ethan R. Rosenberg, Caroline A. Ross, Yi Jiang, David A. Muller

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.18063v1

摘要： 掺杂杂质原子是一种常用于调节催化剂、半导体和量子发射器等材料功能的策略。掺杂剂的位置及其与周围原子的相互作用可以显着调节材料的输运、光学或磁性。然而，直接成像材料内部的单个杂质原子仍然是一个普遍未解决的需求。在这里，我们演示了如何通过多层电子叠层成像技术在三维空间中检测和定位单个原子。复杂石榴石氧化物异质结构中的间隙原子以优于 2.7 nm 的深度分辨率以及深子{\AA} 进行解析横向分辨率。使用强发散电子探针照明应该可以实现单扫描原子层深度分辨率。我们的研究结果提供了一种检测单个原子缺陷的新方法，并为表征单原子催化剂、氮空位中心和其他原子级量子传感器等广泛系统基础的局部环境和空间分布打开了大门。

优化半导体异质结构的 ToF-SIMS 深度剖面

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Jan Tröger, Reinhard Kersting, Birgit Hagenhoff, Dominique Bougeard, Nikolay V. Abrosimov, Jan Klos, Lars R. Schreiber, Hartmut Bracht

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17985v1

摘要： 电子器件技术的不断发展和新材料的引入对半导体异质结构的制造及其表征提出了越来越高的要求。这项工作的重点是优化半导体异质结构的飞行时间二次离子质谱 (ToF-SIMS) 深度剖面，旨在最大限度地减少测量引起的剖面展宽。作为模型系统，最先进的分子束外延 (MBE) 生长的多层同质结构由厚度仅为 2 nm 的 $^{\textit{nat}}$Si/$^{28}$Si 双层组成在改变最相关的溅射参数的同时进行研究。确定原子浓度-深度分布，并使用基于误差函数的描述模型来量化层厚度以及分布加宽。优化过程使多层同质结构具有出色的分辨率。此优化结果可用于对另一个 MBE 生长的异质结构进行 ToF-SIMS 分析，该异质结构由夹在两个 Si${0.7}$Ge${0.3}$ 层之间的应变且高度纯化的 $^{28}$Si 层组成。夹在中间的 $^{28}$Si 层代表一个量子阱，已被证明是实现电子自旋量子位的出色宿主。

层状反铁磁体 CrPS$_4$ 磁性的直接光学探测

分类： 材料科学

作者： Tomasz Fąs, Mateusz Wlazło, Magdalena Birowska, Miłosz Rybak, Małgorzata Zinkiewicz, Leon Oleschko, Mateusz Goryca, Łukasz Gondek, Bruno Camargo, Jacek Szczytko, Adam K. Budniak, Yaron Amouyal, Efrat Lifshitz, Jan Suffczyński

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17912v1

摘要： 范德瓦尔斯型反铁磁半导体的异常磁性使其对自旋电子学和光电子学极具吸引力。然而，迄今为止，实际应用所需的这些材料的磁性和光学性质之间的联系尚未建立。在这里，我们报告了对块状 CrPS${4}$ 样品的磁、光学和结构特性的综合实验和理论研究。我们发现，光致发光的磁场相关圆偏振度是 CrPS${4}$ 净磁化强度的直接测量。作为磁场和温度函数的互补拉曼散射测量可以确定材料的磁化率曲线。我们的实验结果得到了密度泛函理论计算的支持，密度泛函理论计算将根据温度相关的 X 射线衍射测量确定的晶格参数作为输入。这使我们能够解释自旋排序对 CrPS$_4$ 中拉曼跃迁光谱位置的影响，以及其中选定的异常温度变化。所提出的全光学磁特性测定方法对于磁性层状材料的单层或几层样品中的自旋排序和磁相变的研究非常有前景，因为较差的信噪比排除了任何磁性层状材料中的自旋排序和磁相变的研究。可靠的中子散射或磁力测量。

多电子局域化的光学界限

分类： 材料科学

作者： Ivo Souza, Richard M. Martin, Massimiliano Stengel

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17908v1

摘要： 我们在与光学和规则相关的不同电子特性之间建立了严格的不等式，并将它们组织成绝缘体三个特性的弱界和强界：电子局域长度$\ell$（极化的量子涨落）、电化率$\chi$ ，以及光学间隙 $E_{\rm G}$。给出了全电子和仅化合价版本的界限，并且发现后者提供了更多信息。 $\ell$ 的界限特别有趣，因为它们根据表格实验数据（电子密度、高频介电常数和光学间隙。以这种方式估计的几种材料的局域长度遵循简单的化学趋势，尤其是碱金属卤化物。我们还通过可分析求解的谐振子模型来说明我们的发现，该模型揭示了与长程范德华力物理学的有趣联系。

扩散和晶粒运动耦合的烧结的通用热力学一致相场微观力学模型

分类： 材料科学, 数学物理, 数学物理

作者： Qingcheng Yang, Arkadz Kirshtein

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17897v1

摘要： 烧结是将陶瓷和金属粉末加工成固体物体的关键技术。对烧结过程中微观结构演变的深刻理解对于制造具有定制特性的产品至关重要。虽然已经提出了各种相场模型来模拟固态烧结中的微观结构演变，但正确结合关键的致密化机制，特别是晶粒运动，仍然是一个挑战。根本障碍在于对颗粒运动微观力学的特殊处理，其中热力学驱动力无法从系统的自由能中获得。这项工作提出了一种新颖的烧结相场微力学模型（PFMMS）来应对这一挑战。我们定义了一个统一的能量定律，根据该定律，使用变分原理导出了烧结过程中微观结构演化的控制方程。我们的方法确保热力学一致性，颗粒运动的驱动力来自系统的自由能。因此，所提出的 PFMMS 保证了微观结构朝降低系统能量并消除非致密化现象的方向演化。我们根据最新的理论和数值分析基准严格验证 PFMMS。研究发现，PFMMS 捕获沿晶界和晶界之外的固有应力分布，表现出与系统尺寸无关的收缩应变，并保持热力学平衡状态。这些特征是物理一致的烧结模型的基本要求。

EuTiO3 的结构和磁不稳定性具有令人难以置信的多样性：从顺磁性到自旋玻璃、自旋液体和反铁磁有序

分类： 材料科学

作者： Annette Bussmann-Holder, Reinhard K. Kremer, Efthymios Liarokapis, Krystian Roleder

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17878v1

摘要： 钙钛矿氧化物 EuTiO3 (ETO) 由于其潜在的多铁性以及在 TS=282K 下其结构相变之上和之下的磁活性而引起了越来越多的科学兴趣。各种实验间接证明这种转变既不是立方四方转变，也不是ETO中唯一发生的转变。在这里，我们展示了基于晶格动力学和自旋声子相互作用以及具有耦合阶次参数的朗道自由能模型的新结果，证明了低于 TS 的两个进一步的不稳定性。新的转变温度与现有的实验数据完全一致，预计会出现进一步的不稳定性。

居里-韦斯行为和磁性纳米粒子系综的“相互作用”温度：局部结构强烈影响磁性行为

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Robert E Camley, Rair Macêdo, Karen L Livesey

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17861v1

摘要： 在本文中，从理论上探讨了磁性纳米粒子集合的居里-韦斯型行为以及“相互作用”或“有序”温度的出现。我们表明，一些报告相互作用温度的系统太稀，偶极相互作用无法发挥作用，除非至少有一些粒子聚集在一起。然后，我们使用最简单类型的团块（粒子对）证明，由于偶极相互作用，正相互作用和负相互作用温度是可能的。团块方向极大地改变了这个结果。最后，我们表明，由于各向异性易轴的一些排列，可以在颗粒之间没有相互作用的磁性纳米颗粒系统中测量表观相互作用温度。这些结果表明纳米级物理结构影响纳米粒子的测量磁响应。

纯和掺铝 CuFeO$_2$ 的 II 型多铁性机理

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Weiqin Zhu, Panshuo Wang, Haiyan Zhu, Xueyang Li, Jun Zhao, Changsong Xu, Hongjun Xiang

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17859v1

摘要： II 型多铁性（电极化是由特定的自旋模式引起的）在基础物理学和先进自旋电子学中至关重要。然而，原型II型多铁性CuFeO$_2$和Al掺杂CuFeO$_2$的自旋模型和磁电耦合机制仍不清楚。在这里，通过考虑自旋和合金自由度，我们开发了一种磁簇扩展方法，该方法考虑了所有对称性允许的相互作用。应用这种方法，我们不仅获得了能够正确再现 CuFeO$2$ 和 CuFe${1-x}$Al$_x$O$_2$ 观测结果的真实自旋模型，而且还重新审视了众所周知的自旋理论原始自旋电流 (SC) 模型和 $p$-$d$ 杂交模型。具体来说，我们发现 (i) 先前被忽视的双二次相互作用对于重现 CuFeO$_2$ 的 $\uparrow\uparrow\downarrow\downarrow$ 基态和激发态至关重要； (ii) 缺乏双二次相互作用和铝掺杂剂周围增加的磁挫败相结合，稳定了适当的螺旋状态； (iii)广义自旋电流(GSC)模型可以正确表征CuFeO$_2$的多铁性。这些发现对于理解单层多铁性 NiI$_2$ 等新型磁电耦合具有更广泛的意义。

层状铁磁 Cr$_2$Te$_3$ 中极大单轴磁晶各向异性稳定的 3D-Ising 型磁相互作用

分类： 材料科学

作者： Shubham Purwar, Tushar Kanti Bhowmik, Soumya Ghorai, Setti Thirupathaiah

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17845v1

摘要： 我们研究了铁磁层 Cr$_2$Te$_3$ 中的磁晶各向异性、临界行为和磁热效应。我们使用各种技术研究了居里温度 ($T_C$) 附近的临界行为，包括修正的阿罗特图 (MAP)、Kouvel-Fisher 方法 (KF) 和临界等温分析 (CI)。导出的临界指数 $\beta$ = 0.353(4) 和 $\gamma$ = 1.213(5) 落在三维 (3D) Ising 和 3D Heisenberg 型模型之间，表明复杂的磁相互作用不落入任何单一模型普遍性类。另一方面，重正化群理论采用实验获得的临界指数，表明 3D-Ising 型磁相互作用随距离衰减为 $J(r) = r^{-4.89}$。我们还观察到极大的单轴磁晶各向异性能量 (MAE) $K_u=2065$ kJ/m$^3$，这是在任何基于 Cr$_x$Te$_y$ 的系统中发现的最高值，源自非共线铁磁地基根据第一原理计算预测的状态。自洽重正化理论 (SCR) 表明 Cr$_2$Te$3$ 是平面外流动铁磁体。此外，对于平行于 $c$ 轴应用的场，在 $T_C$ 附近估计最大熵变化为 -$\Delta S{M}^{max}\approx$ 2.08 $J/kg-K$。

AlB$_2$型钬硅化物和锗化物的磁性

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： G. Eguchi, R. Matsumoto, K. Terashima, Y. Takano

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17830v1

摘要： HoB$2$中大磁热效应的发现凸显了重稀土离子的实际优势。其他钬化合物也很有趣，我们在这里报告了 HoSi${1.67}$ 和 HoGe${1.67}$ 的合成和磁性能，它们形成相同的 AlB$2$ 型结构，但具有空位。结果表明，HoSi${1.67}$ 的尼尔温度为 17.6(2)K，HoGe${1.67}$ 的尼尔温度为 9.9(2)K，表现出反铁磁序，该温度下的磁熵变为 0.05 HoSi${1.67}$ 为 (1)J/cm$^3$K，HoGe${1.67}$ 为 0.08(1)J/cm$^3$K。通过用镍取代空位来抑制磁序，导致磁熵变增加。面内 Ho$^{3+}$ 离子之间的距离似乎是导致反铁磁 (HoSi$_{1.67}$) 和铁磁 (HoB$_2$) 级之间转变的重要参数。这一发现可能有助于探索其他重稀土化合物的类似应用。

RuO$_2$ 交磁相和非磁相量子振荡的从头算研究

分类： 材料科学

作者： Yingliang Huang, Junwen Lai, Jie Zhan, Peitao Liu, Xing-Qiu Chen, Yan Sun

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17807v1

摘要： 交替磁体（AM）是一种新提出的具有共线反铁磁基态的磁态，但呈现出一些仅被认为存在于铁磁体或非共线反铁磁体中的输运特性。为了全面了解AM的输运特性，特别是从实验的角度来看，一种有前途的变磁金属至关重要。在所有提出的交变磁性金属中，RuO$_2$有着特殊的地位，因为它是第一个提出的具有最大自旋分裂的AM，并且基于它首先进行了一些重要的交变磁性特征实验。然而，最近一份基于敏感μ子自旋测量的报告表明，Ru 具有超小的局部磁化强度，即 RuO$_2$ 中的非磁性基态。因此，确定交变磁基态的存在是所有先前RuO$_2$中交变磁输运性质的基本起点。在这项工作中，我们建议通过量子振荡（QO）的电子输运特性从费米面（FS）识别其磁性基态。我们通过第一原理计算系统地分析了 RuO$_2$ 在非磁性和交磁状态下的FS。我们的工作应该有助于未来 QO 测量实验，通过传输测量和计算之间的相互作用来确认其基态。

手性可调非线性霍尔效应

分类： 材料科学

作者： Nesta Benno Joseph, Arka Bandyopadhyay, Awadhesh Narayan

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17775v1

摘要： 霍尔效应的非线性推广最近引起了广泛关注，越来越多的非中心对称材料在时间反转不变条件下表现出高阶霍尔响应。固有的二阶霍尔响应是由于贝里曲率的一阶矩（称为贝里曲率偶极子）而产生的，这需要破缺的反转和低晶体对称性。手性材料的特点是缺乏不适当的对称性，例如反转、镜面和旋转反转。由于不存在对称性，在这项工作中，我们提出手性系统作为研究贝里曲率偶极子引起的非线性霍尔效应的理想平台。我们使用最先进的第一性原理计算，结合对称性分析，探索各种手性材料类别——金属\ch{NbSi2}、半导体元素Te、绝缘HgS和拓扑多重半金属CoSi。我们展示了这些手性材料中贝里曲率偶极子的出现和可调性。特别是，我们证明了两个对映体对表现出完全相反的贝里曲率偶极子符号。我们用一般的紧束缚最小模型补充了我们的 \textit{ab initio} 结果，并给出了非线性霍尔电压的估计，这是可以通过实验获得的。我们的预测提出手性材料作为一类新兴材料来实现非线性霍尔现象，并强调这些系统尚未探索的方面。

分子动力学中的柯尔莫哥洛夫--阿诺德网络

分类： 材料科学

作者： Yuki Nagai, Masahiko Okumura

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17774v1

摘要： 我们探索将柯尔莫哥洛夫网络 (KAN) 集成到分子动力学 (MD) 模拟中，以提高原子间势。我们提出广泛使用的势，例如 Lennard-Jones (LJ) 势、嵌入式原子模型 (EAM) 和人工神经网络 (ANN) 势，可以在 KAN 框架内进行解释。具体来说，我们证明了 ANN 势的描述符（通常使用多项式构建）可以使用 KAN 的非线性函数重新定义。通过对这些 KAN 函数采用线性或三次样条插值，我们表明评估 ANN 势及其导数的计算成本降低了。

持久同源性阐明了非晶固体中负责机械性能的分层结构

分类： 材料科学

作者： Emi Minamitani, Takenobu Nakamura, Ippei Obayashi, Hideyuki Mizuno

发布时间： 2024-07-25

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17707v1

摘要： 了解原子级结构在确定非晶材料特性中的作用一直是固态物理学中长期存在的挑战。在机械加载时，非晶材料会经历简单的仿射位移和空间不均匀的非仿射位移。这两种类型的位移对弹性模量（即玻恩（或仿射）项和非仿射项）的贡献不同。尽管在基础物理学和应用物理学中很重要，但以小玻恩项或大非仿射位移为特征的“软”局部结构是否不同仍然是一个悬而未决的问题。为了解决这个问题，我们结合了分子动力学模拟和非晶硅的持久同源性分析。我们发现，具有较大非仿射位移的局部结构的特征与具有较小玻恩项的局部结构的特征显着不同。具有小玻恩项的原子周围的局域结构以短程有序（SRO）的尺度进行表征，而具有大非仿射位移的原子周围的局部结构具有从SRO到中程有序的层次结构。此外，我们发现这些层次结构与低能量局部振动激发有关。由持久同源性阐明的非仿射位移与层次几何特征之间的相关性为理解和设计基于静态结构的非晶材料的力学性能提供了新的视角。

氧化物电陶瓷中晶粒生长的基于缺陷化学的相场模型

分类： 材料科学

作者： Kai Wang, Roger A. De Souza, Xiang-Long Peng, Rotraut Merkle, Wolfgang Rheinheimer, Karsten Albe, Bai-Xiang Xu

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17650v2

摘要： 掺杂剂可以通过影响性能决定的微观结构特征（例如晶界偏析、晶界附近的空间电荷层形成以及由于异常晶粒生长而产生的双峰性等最终微观结构特征）来显着影响氧化物陶瓷的性能。为了支持合理的氧化物陶瓷设计，我们提出了一种基于多物理场和缺陷化学的相场晶粒生长模型来模拟氧化物陶瓷的微观结构演变。它充分尊重晶粒内部和晶界中带电点缺陷（氧空位和掺杂剂）的热力学，并考虑缺陷扩散和晶界运动的竞争动力学。所提出的相场模型以著名的简化双晶模型（包括 Mott-Schottky 和 ​​Gouy-Chapman 模型）为基准。各种模拟结果揭示了晶粒内部和晶界核心之间的缺陷形成能差异对关键微观结构方面的影响。特别是，模拟结果证实，仅溶质拖曳效应就可以导致双峰晶粒尺寸分布，而晶粒取向错误和其他各向异性没有任何贡献。有趣的是，异常晶粒生长模拟表明，晶界电势可以发生很大变化：较大晶粒的晶界往往比较小晶粒的晶界具有更低的电势。这种不均匀的晶界电势分布可能会通过微观结构设计激发新的材料优化策略。这项研究为多晶氧化物陶瓷微观结构演变的缺陷化学一致性研究提供了一个全面的框架，为关键制造阶段的原位工艺提供了基本见解。

人工智能实现纳米粒子表面动力学和不稳定性的原子分辨率观察

分类： 材料科学

作者： Peter A. Crozier, Matan Leibovich, Piyush Haluai, Mai Tan, Andrew M. Thomas, Joshua Vincent, Sreyas Mohan, Adria Marcos Morales, Shreyas A. Kulkarni, David S. Matteson, Yifan Wang, Carlos Fernandez-Granda

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17669v1

摘要： 纳米颗粒表面结构动力学被认为在调节扩散、反应性和催化等功能方面发挥着重要作用，但原子级过程尚不清楚。纳米颗粒表面动力学的原子分辨率表征具有挑战性，因为它需要高空间和时间分辨率。尽管超快透射电子显微镜（TEM）可以实现皮秒时间分辨率，但其空间分辨率仅限于纳米级。另一方面，随着新型电子探测器的高读出率，传统 TEM 有可能以毫秒时间分辨率可视化原子结构。然而，需要限制电子剂量率以减少电子束损伤，从而产生以噪声为主的毫秒图像，从而模糊了结构细节。在这里，我们展示了一种新开发的基于人工智能的无监督去噪框架，能够在中等电子剂量下以低至 10 毫秒的时间分辨率观察金属纳米颗粒表面。在这个时间尺度上，我们发现许多纳米粒子表面在有序和无序构型之间不断转变。相关的应力场可以渗透到表面以下，导致缺陷形成和不稳定，从而使整个纳米颗粒发生流动。将这种无监督降噪器与电子显微镜相结合，极大地提高了时空表征能力，为未来探索材料中原子级结构动力学打开了新窗口。

固态扩散：简介

分类： 材料科学

作者： Jairo Rondón, Angel Gonzalez-Lizardo, Ricardo Bravo, Juan Valera

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17662v1

摘要： 本研究探讨了固态扩散的介绍，重点关注其在材料工程中的重要性。它研究了空位和间隙扩散机制、菲克定律的应用及其对金属和合金中的相沉淀和再结晶等过程的影响。此外，它还解决了其在晶粒生长、扩散焊接和烧结中的相关性，这些是提高材料性能的关键工艺，在生物医学、电气和化学等各个领域的工程应用中都有应用。

用单层 NbS 工程二维材料$_2$

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Timo Knispel, Daniela Mohrenstecher, Carsten Speckmann, Affan Safeer, Camiel van Efferen, Virgínia Boix, Alexander Grüneis, Wouter Jolie, Alexei Preobrajenski, Jan Knudsen, Nicolae Atodiresei, Thomas Michely, Jeison Fischer

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17655v1

摘要： 从通过分子束外延在石墨烯上生长的单层 NbS$2$ 开始，单晶胞厚的二维材料 Nb${5/3}$S$_3$-2D 和 Nb$_2$S$3$- 2D 是使用两种不同的途径创建的。在逐渐升高的温度下在缺硫条件下进行退火或在升高的温度下沉积越来越多的 Nb 会导致相纯 Nb${5/3}$S$_3$-2D，然后是 Nb$_2$S$_3 $-2D。通过扫描隧道显微镜、扫描隧道光谱和X射线光电子能谱对材料进行了表征。实验评估结合系统密度泛函理论计算揭示了它们的结构。二维材料是共价结合的，没有任何范德华间隙。它们的堆叠顺序和结构与基于相应散装材料的预期不一致，凸显了表面和界面效应在结构形成中的重要性。

氮化锆铂薄膜的物理性能和热稳定性

分类： 材料科学

作者： Rebecca A. Gallivan, Julia Manser, Ana Michelini, Nensi Toncich, Nerea Abando Beldarrain, Christof Vockenhuber, Arnold Müller, Henning Galinski

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17653v1

摘要： 三元过渡金属氮化物（TMN）有望通过开放新功能和增强现有特性来显着扩展材料设计空间。然而，大多数系统仅通过计算进行研究，对其稳定机制的了解有限，限制了向实验合成的转化。为了更好地阐明三元 TMN 设计的关键因素，我们通过实验制造并分析了三元 Zr-Pt-N 体系的物理性能。结构分析和 DFT 建模表明，Pt 取代了非金属亚晶格上的氮，从而破坏了岩盐结构的稳定性并形成了复杂的立方相。我们还表明，Pt 在 Zr-Pt-N 中的不溶性达到 45 at%，并形成了第二个富 Pt 相。测量到的等离子体频率降低、电阻率降低和硬度降低反映了键合中金属行为的主导地位。与之前的计算预测相反，Zr-Pt-N 薄膜被证明是亚稳态系统，即使低 Pt 浓度 (1%) 也能促进与 Si 基底的固体反应，而这在 ZrN 薄膜中是无法实现的。

氧化物电陶瓷中晶粒生长的基于缺陷化学的相场模型

分类： 材料科学

作者： Kai Wang, Roger A. De Souza, Xiang-Long Peng, Rotraut Merkle, Wolfgang Rheinheimer, Karsten Albe, Bai-Xiang Xu

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17650v1

摘要： 掺杂剂可以通过影响性能决定的微观结构特征（例如晶界偏析、晶界附近的空间电荷层形成、由于异常晶粒生长而产生的双峰等最终微观结构特征）来显着影响氧化物陶瓷的性能。为了支持合理的氧化物陶瓷设计，我们提出了一种基于多物理场和缺陷化学的相场晶粒生长模型来模拟氧化物陶瓷的微观结构演变。它充分尊重晶粒内部和晶界中带电点缺陷（氧空位和掺杂剂）的热力学，并考虑缺陷扩散和晶界运动的竞争动力学。所提出的相场模型通过有限元方法实现，并以著名的简化双晶模型（包括 Mott-Schottky 和 ​​Gouy-Chapman 模型）为基准。各种模拟结果揭示了晶粒内部和晶界核心之间的缺陷形成能差异对关键微观结构方面的影响，包括空间电荷层形成、晶界电位、溶质拖曳效应、由此产生的双峰异常晶粒生长以及晶粒内部的掺杂剂云在烧结过程中被消失的晶界所印记。特别是，模拟结果证实，仅溶质拖曳效应就可以导致双峰晶粒尺寸分布，而晶粒取向错误和其他各向异性没有任何贡献。有趣的是，异常晶粒生长模拟表明，晶界电势可以发生很大变化：较大晶粒的晶界往往比较小晶粒的晶界具有更低的电势。这种不均匀的晶界电势分布可能会通过微观结构设计激发新的材料优化策略。

通过晶格工程控制锡的结构相

分类： 材料科学

作者： Chandima Kasun Edirisinghe, Anjali Rathore, Taegeon Lee, Daekwon Lee, An-Hsi Chen, Garrett Baucom, Eitan Hershkovitz, Anuradha Wijesinghe, Pradip Adhikari, Sinchul Yeom, Hong Seok Lee, Hyung-Kook Choi, Hyunsoo Kim, Mina Yoon, Honggyu Kim, Matthew Brahlek, Heesuk Rho, Joon Sue Lee

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17609v1

摘要： 拓扑和超导这两种不同的现象为量子特性及其在量子技术、自旋电子学和可持续能源技术中的应用提供了独特的见解（如果可以找到它们共存的系统）。锡（Sn）在这里作为一种元素发挥着关键作用，因为它有两个结构相，$\alpha$-Sn和$\beta$-Sn，表现出拓扑特性（$\alpha$-Sn）和超导性（$\beta $-Sn）。在本研究中，我们展示了如何通过使用分子束外延生长缓冲层以及对晶格参数的系统控制来实现对 Sn 薄膜的 $\alpha$ 和 $\beta$ 相的精确控制。当缓冲层的晶格常数从 6.10 A 变化到 6.48 A 时，所得的 Sn 薄膜显示出 $\beta$-Sn 或 $\alpha$-Sn 相，覆盖了 GaSb（与 InAs 密切匹配）和 InSb 之间的范围。通过X射线衍射对$\alpha$-和$\beta$-Sn薄膜的晶体结构进行了表征，并通过拉曼光谱和扫描透射电子显微镜进行了证实。使用原子力显微镜验证了 Sn 薄膜的光滑连续的表面形貌。通过观察 3.7 K 附近 $\beta$-Sn 相超导性的电阻降和 $\beta$-Sn 相的 Shubnikov-de Haas 振荡，使用电输运测量进一步验证了 $\alpha$- 和 $\beta$-Sn 相的特性。 α$-Sn 相。密度泛函理论计算表明，Sn相的稳定性高度依赖于晶格应变，$\alpha$-Sn在拉伸应变下更稳定，而$\beta$-Sn在压缩应变下变得有利，两者吻合良好并通过实验观察。因此，这项研究揭示了通过晶格工程控制锡相，从而实现量子技术及其他领域的创新应用。

异质集成 GaAsSb/Si 光电二极管的有源界面特性

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Manisha Muduli, Yongkang Xia, Seunghyun Lee, Nathan Gajowski, Chris Chae, Siddharth Rajan, Jinwoo Hwang, Shamsul Arafin, Sanjay Krishna

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17607v1

摘要： 人们对各种化合物半导体与硅的异质集成越来越感兴趣，以用于各种电子和光子应用。本文重点介绍利用外延层转移 (ELT) 方法将 GaAsSb（在 1550 nm 的 C 波段具有吸收）与硅集成来制造光电二极管。比较了两种 ELT 技术，外延剥离 (ELO) 和宏观转移印刷 (MTP)，用于将 GaAsSb 薄膜从 InP 衬底转移到 Si，形成 PIN 二极管。通过原子力显微镜 (AFM) 和透射电子显微镜 (TEM) 进行表征，显示出高质量、无缺陷的界面。电流-电压 (IV) 测量和电容-电压 (CV) 分析验证了异质结构的质量和功能。室温和 200 K 下的光电流测量证明了该器件在 1550 nm 处的光响应，突出了活性界面的存在。

随着 FeRu 薄膜中 Ru 浓度的增加，从铁磁态到非共线态再到顺磁态的转变

分类： 材料科学

作者： Juliana Lisik, Manuel Rojas, Spencer Myrtle, Dominic H. Ryan, René Hübner, Pavlo Omelchenko, Claas Abert, Amil Ducevic, Dieter Suess, Ivan Soldatov, Rudolf Schaefer, Johannes Seyd, Manfred Albrecht, Erol Girt

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17575v1

摘要： 研究了 $x \leq 50$ 溅射沉积 Fe$_{100-x}$Ru$x$ 薄膜的结构和磁性。 Fe${100-x}$Ru$_x$ 的晶体结构在 $x<13$ 时主要为体心立方，并在浓度范围 $13 \lesssim 内逐渐过渡到六方密堆积x \lesssim 20$。磁测量表明，Ru 的添加在体心立方 FeRu 合金中产生非共线磁序，而六方密排 FeRu 合金表现出顺磁行为。增加体心立方 FeRu 合金中 Ru 的浓度会减小磁畴的尺寸，接近磁性晶粒的尺寸。一个简单的原子模型被用来表明 Fe 原子与 Ru 原子之间的反铁磁耦合可以导致 FeRu 立方结构中的非共线有序。薄膜磁性器件中使用的磁性多层结构广泛使用 Fe 和 Ru 层。我们的结果表明，即使 Fe 中存在少量 Ru，也会影响 Fe 的磁序，从而影响这些器件的性能。

不同 Al-Si 级数的碱长石固溶体的热力学：使用神经网络势的原子模拟

分类： 材料科学, 计算物理, 地球物理学

作者： Alexander Gorfer, David Heuser, Rainer Abart, Christoph Dellago

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17452v1

摘要： 使用神经网络势通过原子模拟计算了 Na 和 K 端元之间的碱长石固溶体的热力学混合特性。我们在 800°C 的半标准系综中进行了组合分子动力学和蒙特卡罗模拟，并考虑了 Al-Si-O 框架中从完全有序到完全无序的三种淬灭无序态。过量混合吉布斯能、过量混合焓和过量混合熵与文献数据吻合较好。特别是，成功预测了 Al-Si-O 骨架中无序性的增加与 Na-K 混合的理想性增加相关的概念。最后，观察到最近提出的碱亚晶格中 Na 和 K 的短程排序，这可以被认为是出溶片晶的前体，这是中间成分的碱长石中的特征现象，导致冷却过程中长长石的形成。

Trion的成分交换理论

分类： 材料科学

作者： Dinh Van Tuan, Hanan Dery

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17445v2

摘要： 将三重子问题视为具有激子和电子分量的有效二体系统，我们将分量交换确定为导致三重子形成的原因。这种机制可以想象成一个在两个电子之间来回切换的空穴。创造的术语“成分交换”是指激子的电子成分的重复变化源于交换相互作用。我们开发了三重子的 Bethe-Salpeter 方程，表明如果激子的电子和电子是可区分的粒子（例如，具有相反的自旋或位于布里渊区的不同谷中），则会出现束缚三重子态。与将三重子视为三体问题的数值技术类似，三重子 Bethe-Salpeter 方程在不使用有效质量和介电常数之外的参数的情况下产生类似的结合能。

类畴壁外延氧化物多层的磁电相位控制

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Elzbieta Gradauskaite, Chia-Jung Yang, Shovon Pal, Manfred Fiebig, Morgan Trassin

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17368v1

摘要： 铁电畴壁是可以根据需要创建、定位和擦除的纳米级物体。它们通常体现出与周围散装材料不同的功能特性。例如，在带电铁电畴壁处观察到电导率增强。遗憾的是，由于能量上不利的静电效应，这种类型的畴壁很少见。这阻碍了当前畴壁纳米电子学的技术发展。在这里，我们通过在外延氧化物异质结构中创建坚固的类畴壁物体来克服这一限制。我们设计了带有两个铁电层（BaTiO${3}$ 和 BiFeO${3}$）的带电头对头（HH）和尾对尾（TT）结，这两个铁电层具有相反的面外极化。为了测试类似畴壁的功能，我们在结中插入超薄铁磁 La${0.7}$Sr${0.3}$MnO$_{3}$ 层。界面处的界面电子或空穴积累，分别由 HH 和 TT 极化配置设定，控制 LSMO 的电导率和磁化强度。因此，我们提出，让人想起人造畴壁的三层提供磁电功能，并可能构成氧化物基电子器件设计中的重要构建块。

Si/AlN p-n 异质结与超薄 SiO2 界面

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Haris Naeem Abbasi, Jie Zhou, Ding Wang, Ping Wang, Yi Lu, Jiarui Gong, Dong Liu, Yang Liu, Ranveer Singh, Zetian Mi, Zhenqiang Ma

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17360v1

摘要： 超宽带隙 (UWBG) 材料在高功率射频电子和深紫外光子学方面具有巨大潜力。其中，AlGaN 成为一种有前途的候选材料，它具有从 3.4 eV (GaN) 到 6.2 eV (AlN) 的可调带隙以及卓越的材料特性。然而，在高铝成分 AlGaN 中实现有效的 p 型掺杂仍然是一个艰巨的挑战。本研究提出了解决这一问题的另一种方法，即采用半导体接枝技术制造 p+Si/n-AlN/n+AlGaN 异质结结构。高分辨率 X 射线衍射 (HR-XRD) 证实了 AlN/AlGaN 层的高结晶质量，AlGaN (0002) 峰的半峰全宽 (FWHM) 为 0.16 度。原子力显微镜 (AFM) 分析表明 AlN 表面呈现出光滑的形貌，粗糙度为 1.9 nm。此外，转移后的Si表面表现出更精细的光滑度，粗糙度为0.545 nm。 X 射线光电子能谱 (XPS) 测量表明 I 型异质结的价带偏移为 3.63 eV，导带偏移为 1.32 eV。 pn二极管器件表现出线性电流-电压(I-V)特性，理想因子为1.92，整流比为3.3e4，导通电压为3.9 V，表明有效的p-n异质结。温度相关的 I-V 测量显示在高达 90°C 的温度下稳定运行。该异质结的高质量界面和电气性能展示了其在先进的基于 AlGaN 的光电和电子器件方面的潜力。

激光定向能量沉积中的精确逆过程优化框架

分类： 材料科学

作者： Xiao Shang, Evelyn Li, Ajay Talbot, Haitao Wen, Tianyi Lyu, Jiahui Zhang, Yu Zou

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17338v1

摘要： 在增材制造 (AM) 中，特别是基于激光的金属增材制造，工艺优化对于产品质量和生产效率至关重要。然而，从巨大的参数空间中识别最佳工艺参数是一项艰巨的任务。尽管模拟技术取得了进步，但特定材料和几何形状的工艺优化是通过耗时的试错方法开发的，这种方法通常缺乏解决多个优化目标的多功能性。机器学习 (ML) 提供了加速优化过程的强大工具，但目前大多数研究都集中在简单的单轨打印上，这很难转化为制造用于工程应用的 3D 组件。在这项研究中，我们基于机器学习模型和遗传算法，开发了激光定向能量沉积 (AIDED) 中的精确逆向工艺优化框架，以帮助激光 DED 工艺中的工艺优化。使用 AIDED，我们演示了以下内容： (i) 准确预测单轨（R2 得分 0.995）、多轨（R2 得分 0.969）和多层（宽度和高度误差分别为 1.07% 和 10.75%）直接根据工艺参数得出熔池横截面几何形状； (ii) 确定适当的填充间距和层厚度，以制造全致密（密度 > 99.9%）多轨和多层打印件； (iii) 在 1-3 小时内直接从可定制的应用目标反向确定最佳工艺参数。我们还通过实现两个示例性目标来通过实验验证 AIDED 的有效性：快速打印速度和精细打印分辨率。此外，我们还展示了框架从不锈钢到纯镍的高可转移性。借助 AIDED，我们为“帮助”基于激光的 AM 工艺的工艺优化开辟了一条新途径，适用于多种材料。

混合 PFC：耦合相场晶体模型及其振幅方程公式

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Maik Punke, Marco Salvalaglio

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17283v1

摘要： 相场晶体 (PFC) 模型通过周期性的微观密度场描述扩散时间尺度的晶体结构。有人建议对晶体生长中的弹性进行建模，并编码与晶体机械特性相关的大部分现象学，例如位错成核和运动、晶界以及弹性或界面能量各向异性。为了克服小系统的限制，设计了一种专注于缓慢变化的微观密度场复振幅的粗粒度公式。该振幅 PFC (APFC) 模型描述了良好的弹性和位错，同时近似微观特征，但在描述大角度晶界方面受到限制。我们在这里提出了混合多尺度 PFC-APFC 框架的开创性概念，该框架结合了块状微晶中 APFC 模型的粗粒度描述，同时利用位错、晶界和界面或表面处的 PFC 分辨率。这是通过基于傅里叶谱方法的高级离散化耦合两个模型并允许局部解更新来实现的。这种离散化还概括了 PFC 模型边界条件的描述。我们通过二维基准模拟展示框架功能。我们还表明，所提出的公式可以克服 APFC 模型在描述大角度晶界方面的局限性。

同质外延 c 面蓝宝石薄膜的吸附控制生长

分类： 材料科学

作者： Lena N. Majer, Tolga Acartürk, Peter A. van Aken, Wolfgang Braun, Luca Camuti, Johan Eckl-Haese, Jochen Mannhart, Takeyoshi Onuma, Ksenia S. Rabinovich, Darrell G. Schlom, Sander Smink, Ulrich Starke, Jacob Steele, Patrick Vogt, Hongguang Wang, Felix V. E. Hensling

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17194v1

摘要： 蓝宝石是一种技术上高度相关的材料，但它给外延薄膜沉积带来了许多挑战。我们已经确定并应用了 c 面蓝宝石吸附控制同质外延生长的条件。由此生长的薄膜是原子级光滑的，具有受控的终止，并且具有出色的结晶度。它们的化学纯度超过基材的化学纯度。这些薄膜表现出优异的光学特性，例如类单晶带隙和低密度的 F+ 中心。

高压CrSb$_2$中的Weyl半金属相及其高压多晶型物的结构压缩研究

分类： 材料科学

作者： Carl Jonas Linnemann, Emma Ehrenreich-Petersen, Davide Ceresoli, Timofey Fedotenko, Innokenty Kantor, Mads Ry Vogel Jørgensen, Martin Bremholm

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17136v1

摘要： 在这项研究中，利用高压同步加速器粉末X射线衍射研究了两种高压多晶型物\ce{CrSb2}的压缩。第一种是具有八重配位Cr的\ce{CuAl2}型多晶型物，它可以从高压高温条件淬火到环境条件。第二种是最近发现的 \ce{MoP2} 型多晶型物，它是通过室温压缩诱导的，具有七重配位的 Cr。在这里，通过单晶 X 射线衍射解析，明确地确认了指定的结构。此外，从理论上研究了\ce{MoP2}型多晶型物的电性能，并在压力下电阻计算的同时对\ce{CrSb2}单晶进行了高压下的电阻测量。讨论了计算出的 \ce{MoP2} 型相的电子能带结构，我们表明该多晶型物是半金属的并具有 I 型 Weyl 点。对于 \ce{CuAl2} 型结构，在高达 50 GPa 的压力下，没有观察到进一步的相变；而对于 \ce{MoP2} 型结构，在高达 40 GPa 的压力下，没有观察到进一步的相变。尽管\ce{CuAl2}相具有最高的Cr配位数，但人们发现它的可压缩性低于具有七倍配位Cr的\ce{MoP2}相，这归因于较长的Cr- \ce{CuAl2} 型相中的 Sb 距离。 \ce{CrSb2} 中 I 型韦尔半金属相的发现为在高压下过渡金属二磷族化物中发现其他韦尔半金属开辟了道路。

扭转双层铋烯中扭转可调的自旋控制

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Ludovica Zullo, Domenico Ninno, Giovanni Cantele

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17124v1

摘要： 由于其高度可调的物理特性，扭曲双层结构已成为凝聚态物质中令人着迷的舞台。自旋轨道耦合（SOC）在扭曲双层中的作用因其在自旋电子学方面的潜力而受到越来越多的关注。因此，提出用于构建具有大量 SOC 的扭曲双层的新材料是很有吸引力的。在这项工作中，通过大规模第一性原理计算揭示了扭转两层二维铋烯引起的有趣效应。我们表明，自旋轨道耦合显着影响扭曲双层铋烯的电子特性，甚至比其未扭曲的对应物影响更大。我们仔细研究了自旋轨道耦合和扭转角之间的相互作用如何影响扭转双层铋烯的能带结构和自旋结构。我们发现扭转角可以被视为从小间隙半导体切换到金属行为的控制旋钮。最重要的是，对接近费米能带的精确分析揭示了能带墨西哥帽形状的扭曲可调分裂，否则只能通过施加巨大的电场来获得。我们的预测为未来自旋电子器件的创新铋基技术提供了深入的见解。

从第一原理看半金属中的相干声子和准粒子重正化

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： C. Emeis, S. Jauernik, S. Dahiya, Y. Pan, C. E. Jensen, P. Hein, M. Bauer, F. Caruso

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17118v1

摘要： 相干声子，即固体中光引起的相干晶格振动，为利用光设计结构和电子自由度提供了强有力的途径。在这份手稿中，我们提出了相干声子位移激发（DECP）的从头算理论，这是半金属中光诱导结构控制的主要机制。我们的研究基于存在电子声子相互作用的超快电子和相干声子动力学的从头开始模拟，建立了一个预测计算框架，用于描述光引起的结构变化的出现以及随之而来的瞬态能带结构重整化来自DECP机制。我们通过对元素半金属锑中相干声子的理论和实验相结合的研究来验证这个框架。通过对时间和角度分辨光电子能谱 (tr-ARPES) 测量的傅里叶分析，我们检索了有关瞬态光谱特征和由相干 A1g 声子产生的准粒子重整化的信息，作为动量、能量、时间和注量的函数。实验与理论之间的定性和定量一致性证实了本研究中制定的第一性原理方法。除了增进对相干声子介导的电子-声子相互作用的基本理解之外，这项研究还为通过 DECP 机制预测设计半金属的结构和电子自由度开辟了新的机会。

Pr$_2$Ba$_4$Cu$7$O${15-δ}$ CuO双链双阱能带色散起源及其对超导影响的理论分析

分类： 超导, 材料科学, 强关联电子

作者： Toshiki Yagi, Masayuki Ochi, Kazuhiko Kuroki

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17102v1

摘要： Pr$_2$Ba$_4$Cu$7$O${15-\delta}$ 是铜酸盐超导体中的独特成员，许多研究表明 CuO 双链负责超导。其电子结构的一个特征和重要特征是最近邻 Cu 位点之间相对较大的电子跳跃 $t$，Cu-O-Cu 角约为 90 度。在本研究中，我们首先从理论上确定了 Pr$_2$Ba$_4$Cu$7$O${15-\delta}$ 双链结构中大 $|t|$ 的起源-原理计算和紧束缚模型分析。我们发现，在最近的邻居跳跃中，$t$、$d$-$d$ 和 $d$-$p$-$p$-$d$ 的贡献大致相互抵消，并且 $d$-$双链局部扭曲增强的p$-$d$跳跃路径是获得大$|t|$的关键。由相对较大的 $|t/t'|$ 引起的双阱能带色散允许通过初始能带机制增强自旋涨落介导的超导性，其中单能带底部起到初始谷的作用。我们的研究为理解 Pr$_2$Ba$_4$Cu$7$O${15-\delta}$ 独特的超导性提供了重要的知识。

准晶体的介尺度场论

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 软凝聚态物质

作者： Marcello De Donno, Luiza Angheluta, Ken R. Elder, Marco Salvalaglio

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17091v1

摘要： 我们提出了一种介观场论，统一了准晶体中生长、弹性和位错的模型。该理论基于进入其密度波表示的振幅。我们引入了复振幅的自由能泛函，并假设非守恒耗散动力学来描述它们的演化。弹性，包括声子和相声变形、缺陷成核和运动，通过仅规定准晶体的对称性而自洽地出现。给出了对半相干界面的形成和位错运动学的预测。

来自第一原理的激子布洛赫方程

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Gianluca Stefanucci, Enrico Perfetto

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17077v1

摘要： 相干激子向非相干激子的超快转换，以及随后的激子扩散和热化，由于其与光电子学、光伏和光催化的相关性而成为当前科学研究的中心主题。目前的激子动力学方法依赖于哈密顿量，而哈密顿量依赖于已经筛选的电子-电子和电子-声子耦合。在这项工作中，我们使用电子和声子的哈密顿量对最先进的方法进行了审查。我们提供了严格而直观的证明，证明由哈密顿量模型控制的激子动力学受到电子-声子相互作用的过度筛选的影响。辅助激子物种（称为不可约激子）的引入使我们能够制定一个免于过度筛选的理论并推导激子布洛赫方程。这些方程描述了光学激发期间和之后相干、不可约和非相干激子的时间演化。它们适用于线性范围之外，并预测当外部场关闭时激子总数将被保留。

扭曲的半导体同质双层中独特的莫尔条纹

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 强关联电子

作者： Zhida Liu, Haonan Wang, Xiaohui Liu, Yue Ni, Frank Gao, Saba Arash, Dong Seob Kim, Xiangcheng Liu, Yongxin Zeng, Jiamin Quan, Di Huang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Edoardo Baldini, Allan H. MacDonald, Chih-Kang Shih, Li Yang, Xiaoqin Li

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17025v1

摘要： 在石墨烯和过渡金属二硫属化物（TMD）莫尔超晶格中发现的许多令人着迷的特性源于平带和增强的多体效应。在这里，我们在 TMD 同双层中发现了新的多电子激发态。随着光学共振随着 MoSe$_2$ 双层中的扭转角和掺杂而演变，当层之间的原子排列发生逐渐变化时，会观察到一种独特类型的“电荷转移”三重子。在真实空间中，光学激发的电子空穴在动量空间中，电子-空穴对主要位于与莫尔超晶胞中的掺杂空穴不同的位置，电子-空穴对形成于单粒子能带$K$谷中，而空穴占据$\Gamma。这种三重子共振的丰富内部结构源于第一价带的超平坦性以及莫尔势调制对空穴和激子的独特影响，我们的发现开辟了实现光子自旋转导的新途径。或者实现具有独立可调的费米子和玻色子密度的莫尔量子模拟器。

通过时间分辨 ARPES 揭示 kagome 超导体 $\rm{CsV_3Sb_5}$ 中的范霍夫奇点调制和波动电荷顺序

分类： 材料科学, 强关联电子, 超导

作者： Yigui Zhong, Takeshi Suzuki, Hongxiong Liu, Kecheng Liu, Zhengwei Nie, Youguo Shi, Sheng Meng, Baiqing Lv, Hong Ding, Teruto Kanai, Jiro Itatani, Shik Shin, Kozo Okazaki

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.17015v1

摘要： Kagome 超导体 CsV3Sb5 表现出相互交织的非常规电荷密度波（CDW）和超导性，最近引起了广泛关注。尽管进行了广泛的静态研究，这些奇异电子指令的性质仍然难以捉摸。在这项研究中，我们通过时间和角度分辨光电子能谱研究了 CsV3Sb5 的非平衡电子结构。我们的结果表明，在激光激发后，范霍夫奇点立即向费米能级移动，随后与 1.3 THz 相干声子模式同步振荡。通过分析能量动量 (E-k) 图中的相干强度振荡，我们发现这种相干声子与 Sb 和 V 轨道的电子带强耦合。虽然通常只能在 CDW 状态下观察到，但值得注意的是，我们发现 1.3-THz 相干声子模式可以在高于 T_CDW 的温度下持续激发，这表明 CsV3Sb5 中可能存在波动的 CDW。这些发现增强了我们对 Kagome 超导性非常规 CDW 控制的理解。

了解 FePS3 和 FePSe3 单层的伊辛之字形反铁磁性

分类： 材料科学

作者： Ke Yang, Yueyue Ning, Yuxuan Zhou, Di Lu, Yaozhenghang Ma, Lu Liu, Shengli Pu, Hua Wu

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16978v1

摘要： 本研究利用 DFT、晶体场能级图、超交换分析和平行回火 MC 模拟，研究了 FePS3 和 FePSe3 单层的自旋轨道状态及其 Ising zigzag AFM 的起源。我们的计算表明，在 FeS6 (FeSe6) 八面体的三角伸长下，Fe 3d 晶体场能级的 $e_g^\pi$ 双峰比 $a_{1g}$ 单峰低约 108 meV (123 meV) ，远大于 Fe 3d SOC 的强度。然后，高自旋 Fe$^{2+}$ 离子的半填充少数自旋 $e_g^\pi$ 双峰 ($d^{5\uparrow,1\downarrow}$) 被 SOC 分裂成较低的 $L_{z+}$ 和较高的 $L_{z-}$ 州。自旋轨道基态 $d^{5\uparrow}$$L_{z+}^{1\downarrow}$ 形式上 $S_z$ = 2 和 $L_z$ = 1 给出大 z 轴自旋/轨道矩FePS$3$ (FePSe$3$) 单层的矩为 3.51/0.76 $\mu{B}$ (3.41/0.67 $\mu{B}$)，并且两个矩都被强（更强）的 Fe 3d 减小与 S 3p (Se 4p) 态的杂交。因此，FePS3（FePSe3）单层具有19.4 meV（14.9 meV）的巨大垂直单离子各向异性能量，具有伊辛型磁性。此外，通过最大局域 Wannier 函数，我们发现第一个最近邻 (1NN) Fe-Fe 对在某些特定轨道之间具有较大的跳跃参数，3NN Fe-Fe 对也是如此。相比之下，2NN Fe-Fe 对的跳跃参数要小得多，而 4NN Fe-Fe 对的跳跃参数小得可以忽略不计。然后，这些跳跃参数和超级交换图的组合可以很容易地解释计算出的强 1NN 铁磁耦合和强 3NN 反铁磁耦合，但相对较小的 2NN 反铁磁耦合。此外，我们的 PTMC 模拟给出 FePS3 单层的 TN 为 119 K，并且还预测 FePSe3 单层具有相同的磁结构，具有接近甚至更高的 TN。

电势差反铁磁 $\mathrm{Cr_2CHCl}$ 单层中的反常谷霍尔效应

分类： 材料科学

作者： Dun-Cheng Liang, San-Dong Guo, Shaobo Chen

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16954v1

摘要： 反铁磁 (AFM) 谷电子学本质上可以在设备应用中更加节能和快速运行。一般来说，自发自旋分裂的缺乏阻碍了反常谷霍尔效应（AVHE）的实现和检测。在这里，我们建议在具有优异稳定性的电势差反铁磁 $\mathrm{Cr_2CHCl}$ 单层中实现 AVHE，其中由于面外构建引起的层相关静电势可以诱导自发自旋分裂- 在电场中。从对称性角度来看，Janus结构的引入打破了空间反演（$P$）和时间反演（$T$）的组合对称性（$PT$对称性），从而产生了自旋分裂。原态和应变单层 $\mathrm{Cr_2CHCl}$ 均具有大于 51 meV 的谷分裂，高于室温的热能（25 meV）。层锁定 Berry 曲率产生层锁定 AVHE。我们的工作揭示了在 AFM 单层中通过自发自旋分裂实现 AVHE 的途径。

范德瓦尔斯铁磁体 Fe3GaTe2 中斯格明子自旋纹理的实空间拓扑工程

分类： 材料科学

作者： Shuo Mi, Jianfeng Guo, Guojing Hu, Guangcheng Wang, Songyang Li, Zizhao Gong, Shuaizhao Jin, Rui Xu, Fei Pang, Wei Ji, Weiqiang Yu, Xiaolei Wang, Xueyun Wang, Haitao Yang, Zhihai Cheng

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16924v1

摘要： 在二维 (2D) 范德华 (vdW) 铁磁体中实现磁性斯格明子为未来自旋电子学应用提供了无与伦比的前景。室温铁磁体 Fe3GaTe2 为定制这些磁孤子提供了理想的平台。在这里，使用磁力显微镜（MFM）人工引入具有不同拓扑电荷的斯格明子并进行空间设计。斯格明子晶格是通过特定的场冷却工艺实现的，并且可以通过尖端杂散场的精细操纵进一步可控地擦除和绘制。具有相反拓扑电荷（S = +1 或 -1）的斯格明子晶格可以在目标区域进行定制，以形成具有特定配置的拓扑斯格明子结（TSJ）。最终通过原位输运测量研究了 TSJ 和自旋极化器件电流的微妙相互作用以及 TSJ 的拓扑稳定性。我们的结果表明，Fe3GaTe2 不仅可以作为基于室温斯格明子的自旋电子器件的潜在构建模块，而且还为具有工程拓扑自旋纹理的基于 Fe3GaTe2 的异质结构提供了广阔的前景。

CO$_2$ 电还原过程中 CuO 衍生铜纳米裂纹的操作探测

分类： 材料科学

作者： Jiawei Wan, Ershuai Liu, Woong Choi, Jiayun Liang, Buyu Zhang, Keon-Han Kim, Xianhu Sun, Meng Zhang, Han Xue, Yi Chen, Qiubo Zhang, Changlian Wen, Ji Yang, Karen C. Bustillo, Peter Ercius, Denis Leshchev, Ji Su, Zakaria Y. Al Balushi, Adam Z. Weber, Mark Asta, Alexis T. Bell, Walter S. Drisdell, Haimei Zheng

发布时间： 2024-07-24

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16910v1

摘要： 由于操作过程中复杂的化学环境中催化剂的重组，识别和控制电催化中的活性位点仍然是一个巨大的挑战。非活性预催化剂可以在反应条件下转化为活性催化剂，例如用于 CO$2$ 电还原的氧化物衍生 Cu (OD-Cu)，显示出改进的多碳 (C${2+}$) 化学品的生产。揭示 OD-Cu 催化剂活性位点起源的机制需要以高时空分辨率对结构、形态和价态演化进行原位/操作表征。应用新开发的电化学液体电池透射电子显微镜与 X 射线吸收光谱相结合，我们的多模式操作技术揭示了 CuO 双晶纳米线预催化剂中 OD-Cu 活性位点的形成途径。在 60 秒内将 CuO 直接快速还原为 Cu，通过沿着孪晶边界形成“边界纳米裂纹”和从纳米线表面传播到中心的“横向纳米裂纹”，在整个纳米线上产生纳米裂纹网络。纳米裂纹网络进一步重建，形成富含铜纳米颗粒的高度多孔结构，提高了 C$_{2+}$ 产品的比表面积和活性位点密度。这些发现提出了一种通过纳米裂纹通过调整 CuO 预催化剂中的晶界来优化活性 OD-Cu 纳米结构的方法。更一般地说，我们先进的操作方法为机械洞察开辟了新的机会，从而能够改进对催化剂结构和性能的控制。

潮湿直接空气捕获条件下二胺附加金属有机框架中 CO2 吸附的协同晶格理论

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Bennett Marshall, Pavel Kortunov, Aaron Peters, Hilda Vroman

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16879v1

摘要： 通过实验和理论研究了湿度对胺附加金属有机骨架协同吸附空气中二氧化碳的影响。突破性的实验表明，在较低的相对湿度下，存在反常诱导效应，即短时间的动力学比长时间的动力学慢。随着相对湿度的增加，诱导效应逐渐消失，对应于CO2吸附率的增加。基于晶格动力学理论（LKT）提出了一种新理论来解释这些实验结果。 LKT 假设吸附水的存在会将平衡簇从合作结合的链转移到非合作结合的 CO2，从而能够准确地表示整个湿度范围内的测量数据。这种转变的结果是，CO2 在干燥空气中表现出 V 型吸附，在潮湿空气中表现出 I 型吸附。

从文本到洞察：用于材料科学数据提取的大型语言模型

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Mara Schilling-Wilhelmi, Martiño Ríos-García, Sherjeel Shabih, María Victoria Gil, Santiago Miret, Christoph T. Koch, José A. Márquez, Kevin Maik Jablonka

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16867v1

摘要： 绝大多数材料科学知识都以非结构化自然语言存在，但结构化数据对于创新和系统的材料设计至关重要。传统上，该领域依赖手动管理和部分自动化来提取特定用例的数据。大型语言模型 (LLM) 的出现代表了一个重大转变，有可能使非专家能够从非结构化文本中高效提取结构化、可操作的数据。虽然将大语言模型应用于材料科学数据提取提出了独特的挑战，但领域知识提供了指导和验证大语言模型输出的机会。这篇综述全面概述了材料科学中基于大语言模型的结构化数据提取，综合了当前的知识并概述了未来的方向。我们解决了缺乏标准化指南的问题，并提出了利用大语言模型和材料科学专业知识之间协同作用的框架。这项工作为旨在利用大语言模型进行数据驱动材料研究的研究人员提供了基础资源。这里提出的见解可以显着提高跨学科研究人员获取和利用科学信息的方式，有可能加速满足关键社会需求的新型材料的开发。

二维磁体的巨大磁振子磁阻

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Caleb M Webb, Shufeng Zhang

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16858v1

摘要： 磁振子电流对于促进基于自旋的电子学中角动量的转移具有重要意义。然而，三维磁性材料中的磁振子电流对于应用来说仍然太小。相比之下，二维系统中的磁振子数表现出显着的增强，并且受外部磁场的影响显着。在这里，我们研究了二维易轴铁磁体中的磁振子电流，发现了巨大的磁振子磁阻（CMMR）效应，其中磁振子电导的变化在中等磁场下可以高达百分之千。此外，由于磁振子守恒和非守恒散射之间的相互作用，CMMR 的大小表现出对磁场方向的显着依赖性。我们提出了一种非局部磁振子介导的电阻力实验，以对预测效果进行可能的实验观察。凭借 CMMR 效应和更大的磁振子数，二维材料中的磁振子电流有望成为自旋电子器件中自旋输运的主要来源。 9

压力下 FeN$_2$ 中电子相关性和化学键的相互作用

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： I. V. Leonov

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16783v1

摘要： 我们报告了使用 DFT+动态平均场理论方法对最近合成的 FeN$_2$ 高压正交相中电子相关性、磁性和化学键的影响的理论研究。我们的分析记录了 FeN$_2$ 的复杂晶体化学行为，其特征是与意想不到的 Fe 离子 $3+$ 价态形成强共价 N-N 键（顺磁铁 Fe$^{3+}$ 离子在低-自旋态），与现有的实验数据一致。我们的结果揭示了弱（依赖于轨道）的相关效应，而微观层面上可能出现的多种自旋密度波态使这种效应变得复杂。这表明反铁磁自旋涨落对于解释 FeN$_2$ 在压力下的特性非常重要。

循环剪切 Cu-Zr 金属玻璃的结构松弛和延迟屈服

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Nikolai V. Priezjev

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16687v1

摘要： 使用分子动力学模拟检查重复加载下金属玻璃的屈服转变、结构松弛和机械性能。我们考虑了一种退火不良的 Cu-Zr 非晶合金，它在室温下在大范围的应变幅度内周期性变形。研究发现，低振幅循环载荷会导致势能呈对数衰减，当应变振幅从下方接近临界点时，会达到较低的能态。此外，数千次加载循环后的势能是退火样品启动连续剪切变形期间应力超调峰值的线性函数。我们表明，结构弛豫过程涉及原子团的集体、不可逆重排，其空间范围在加载初始阶段和较高应变幅度时最为明显。在临界振幅下，玻璃会进行多次瞬态循环机械退火，然后通过形成剪切带而屈服。屈服转变的明显特征是势能、储能模量和具有大非仿射位移的原子分数的突然变化。

非晶硅中的准晶特征

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络

作者： Louise A. M. Rosset, David A. Drabold, Volker L. Deringer

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16681v1

摘要： 非晶硅（a-Si）的结构已经被研究了数十年。这两个主要理论分别基于连续随机网络和“准晶”模型——后者被定义为显示类似于晶态的局部结构顺序，同时保留整体非晶态网络。然而，这种局部秩序的程度尚不清楚，实验数据导致了相互矛盾的解释。在这里，我们证明了无序网络中的准晶性特征确实与现有的非晶硅实验观察结果兼容。我们使用量子力学精确的、机器学习驱动的模拟来系统地采样淬火非晶硅的构型空间，从而使我们能够阐明非晶化和结晶之间的界限。我们使用结构和局部能量描述符分析我们的数据集，以表明准晶模型在这两方面都与实验一致。我们的工作为研究最广泛的无定形网络之一中看似相互矛盾的理论提供了统一的解释。

纳米级水行为及其对吸附的影响：碳纳米管和双氯芬酸案例研究

分类： 软凝聚态物质, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Patrick R. B. Côrtes, Nicolás A. Loubet, Cintia A. Menéndez, Gustavo A. Appignanesi, Mateus H. Köhler, José Rafael Bordin

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16631v1

摘要： 水是生命的基本组成部分，在调节代谢过程和促进必需分子的溶解和运输方面发挥着关键作用。然而，药物等新兴污染物的存在给水质和安全带来了重大挑战。基于纳米材料的技术成为去除水中污染物的有前景的工具。然而，界面水在纳米材料中化学化合物的吸附中发挥着重要作用，因为它在蛋白质折叠、酶活性和药物输送等生物过程中发挥着作用。为了理解这一作用，在本研究中，我们采用分子动力学 (MD) 模拟来探索双氯芬酸钾 (K-DCF) 在单壁 (SWCNT) 和双壁 (DWCNT) 碳纳米管上的吸附动力学，同时考虑干燥和潮湿的条件。我们的研究结果表明，碳纳米管周围的水分子结构会产生水化层，从而显着影响活性位点的可及性以及污染物与吸附剂之间的相互作用强度。我们的分析表明，与单壁碳纳米管相比，双壁碳纳米管的吸附能垒更高，这归因于更强的水-表面相互作用。这项研究强调了了解纳米级水行为对于优化水净化纳米材料的设计和功能的重要性。这些发现可以指导更高效和选择性纳米材料的开发，增强污染物去除并确保更安全的水资源，同时也有助于更深入地了解基本的生物相互作用。

简单屈服应力材料中的截留应力影响其流变性并导致屈服延迟

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Kasra Farain, Daniel Bonn

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16619v1

摘要： 简单屈服应力材料由具有纯排斥力的软颗粒、气泡或液滴组成。组成元素通常太大而无法承受热波动，这表明材料的内部结构及其流变性不应随时间变化。在这里，我们探索了卡波姆（一种典型的简单屈服应力材料）的流变学，并揭示了将样品加载到流变仪中时引起的残余应力的逐渐自发松弛，导致材料动态屈服应力小幅但显着的降低。这种松弛过程会导致恒定应力下的非单调蠕变变形率，最终导致材料的延迟流化。这些发现强调，屈服应力不仅仅是静态材料特性，而且是材料内应力状态的函数。

周期性掺杂石墨烯的非线性筛选

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： K. A. Baryshnikov, A. V. Gert, Yu. B. Vasilyev, A. P. Dmitriev

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16579v1

摘要： 位于二维系统中的电荷库仑势的筛选问题有一个有趣的解决方案，其幂律筛选因子随着距离而减小，这与具有常见指数筛选定律的 3D 情况有很大不同。这源于面外电场导致电荷分布的长距离作用。控制远离电荷的电势降幂律的有效屏蔽长度取决于二维半导体的材料参数，尽管它不能防止异质结构的低掺杂区域的电子淹没。在石墨烯和其他具有电子线性能谱的材料中，也会发生这种淹没效应，但有效屏蔽长度现在取决于掺杂水平。我们建立了一维周期性掺杂石墨烯片中的电子势和电子浓度理论，考虑了长程二维屏蔽和线性光谱影响的所有影响。我们表明，由于线性谱，此类问题会导致基本上非线性的积分微分方程，可以通过数值求解。类似的非线性问题出现在使用二维线性光谱材料的各种掺杂结构中。

均匀制造的 Janus CrTeSe 单层中的调节磁各向异性和电荷密度波

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Jin-Hua Nie, Cong Wang, Mao-Peng Miao, Kang-Di Niu, Tao Xie, Ting-Fei Guo, Wen-Hao Zhang, Chao-Fei Liu, Rui-Jing Sun, Jian-Wang Zhou, Jun-Hao Lin, Wei Ji, Ying-Shuang Fu

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16569v1

摘要： 具有Janus结构的二维材料由于其反演对称性破缺而具有新颖的物理性质。然而，合成具有定制的长程磁序的 Janus 单层晶体仍然难以实现。在这里，我们开发了一种通过分子束外延对预制 CrTe2 单层进行选择性硒化来制造均匀 Janus CrTeSe 单层的通用方法。高分辨率扫描透射电子显微镜证实了具有高晶体质量的CrTeSe的均匀Janus结构。自旋偏振扫描隧道显微镜/光谱测量揭示了 Janus CrTeSe 经历了电荷密度波 (CDW) 跃迁和强大的反铁磁有序。与单层 CrTe2 相比，CrTeSe 的磁各向异性因 Janus 结构和 CDW 转变引起的对称性破缺而发生了巨大变化，这一点已通过第一性原理计算得到证实。我们的研究实现了大面积Janus结构的构建，并在二维极限下人为剪裁Janus系统的电子和磁性能。

CASTRO——材料和化学实验设计的高效约束采样方法

分类： 计算, 材料科学, 数据分析、统计和概率, 应用领域, 方法

作者： Christina Schenk, Maciej Haranczyk

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16567v1

摘要： 探索多组分材料成分空间需要大量的时间和财务投资，需要有效利用统计相关成分的资源。本文介绍了一种在开源 CASTRO（ConstrAined Sequential laTin hypeRcube 采样方法）软件包中实现的新颖方法，用于克服等式混合约束并确保全面的设计空间覆盖。我们的方法利用拉丁超立方采样 (LHS) 和具有多维均匀性的 LHS (LHSMDU)，使用分而治之的策略来有效地管理高维问题。通过在有限的预算内整合先前的实验知识，我们的方法战略性地推荐可行数量的实验来探索设计空间。我们用两个例子验证了我们的方法：具有接近均匀分布的四维问题和具有附加混合约束的九维问题，产生特定的成分分布。我们的约束顺序 LHS 或 LHSMDU 方法可实现彻底的设计空间探索，证明实验设计的稳健性。这项研究不仅推动了材料科学的发展，还为制药和化学品的效率挑战提供了有前景的解决方案。 CASTRO 和案例研究可在 GitHub 上免费下载。

无序材料中的实时非平衡量子动力​​学

分类： 介观和纳米物理, 无序系统和神经网络, 材料科学

作者： Luis M. Canonico, Stephan Roche, Aron W. Cummings

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16544v1

摘要： 我们报告了一种线性标度数值方法，用于探索任意复杂系统中的非平衡电子动力学。基于单粒子密度矩阵时间演化的切比雪夫展开，该方法可以在实验规模的无序材料模型中获得非微扰激发和弛豫现象。通过将该方法应用于清洁石墨烯中的可饱和光学吸收来验证该方法后，我们发现无序可以增强石墨烯中的吸收，并且纳米多孔石墨烯中的光、各向异性和无序之间的相互作用可能对传感应用很有吸引力。除了类石墨烯材料的光学特性之外，该方法还可以应用于具有任意描述缺陷和无序的各种大面积材料和系统。

狄拉克半金属 PtSe$_2$ 中的负纵向磁阻——近藤效应和表面自旋动力学

分类： 材料科学

作者： Julian Max Salchegger, Rajdeep Adhikari, Bogdan Faina, Jelena Pesic, Alberta Bonanni

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16469v1

摘要： 研究了拓扑非平凡过渡金属二硫属化物 PtSe$_2$ 中负纵向磁阻的出现。对任意场方向进行低$T$/高$\mu_0 H$传输，并建立了分析框架。负纵向磁阻的来源被认为是源自 Pt 空位的近藤效应，该空位仅在样品表面造成未补偿的自旋。空位浓度和样品厚度被确定为调整参数。这些发现得到了密度泛函理论的证实，证实了所提出的 Pt 空位模型。

激光淬火 Fe-Al 薄膜有序动力学和空位行为的磁光控制

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： I. Yu. Pashenkin, D. A. Tatarskiy, S. A. Churin, A. N. Nechay, M. N. Drozdov, M. V. Sapozhnikov, N. I. Polushkin

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16423v1

摘要： 材料科学中出现的问题之一是原子晶格中的非平衡点缺陷的行为，它定义了化学反应和弛豫过程的速率，并影响固体的物理性质。先前预测，金属和合金的熔化和快速凝固会在淬火材料中提供空位浓度，该空位浓度可与熔化时的空位浓度相当。在这里，我们通过实验探索了准等原子铁铝合金薄膜中的空位行为，该合金经过纳秒激光退火，强度高达薄膜烧蚀。通过磁光监测烧蚀区域周围狭窄（微米级）环形区域内合金中烧蚀边缘的有序动力学来研究激光照射的效果。通过将长程化学顺序的模拟时间演化与获得的实验数据进行拟合，定量地估计了淬火合金中的空位过饱和度。合金和单元素材料的激光淬火（LQ）将成为在小体积晶体内获得新相态的工具。

Li修饰的Si6C14和Si8C12纳米笼作为有前途的储氢介质的可行性：一项计算研究

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Ankita Jaiswal, Rakesh K. Sahoo, Sridhar Sahu

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16420v1

摘要： 本文利用密度泛函理论 (DFT) 介绍了 Li 修饰的 Si6C14 和 Si8C12 的可逆储氢能力。使用 HOMO-LUMO 间隙和各种全局反应性描述符（例如化学硬度和亲电性指数）研究了设计的 Si6C14Li6 和 Si8C12Li4 纳米笼的化学稳定性。我们的研究表明，设计的 Si6C14 和 Si8C12 纳米笼上装饰的每个 Li 原子最多可容纳 5H2 分子，吸附能在 0.14-0.085 eV 的最佳范围内，从而产生分别为 13.8% 和 9.2% 的总重量密度。发现吸附的 H2 分子和锂金属位点之间的相互作用是通过非共价和闭壳类型的相互作用发生的。 H2 分子以准分子方式被吸附，键长延长。分子动力学研究表明，大多数 H2 分子在 300K 温度下从设计的宿主纳米笼中解吸，而没有引起任何显着的结构变化，这证实了它们的可逆性。当吸附和解吸条件分别设置为100K/60bar和240K/1bar时，Si6C14Li6和Si8C12Li4笼的实际存储重量密度估计为13.73wt%和9.08wt%，与US-相比相对较高。美国能源部的目标是到 2020 年达到 5.5 wt%。因此，计算设计的 Si6C14Li6 和 Si8C12Li4 纳米笼可被视为储氢应用的前景系统。

在 Kagome 晶格中设计具有长程跳跃的单一平带和简并平带

分类： 材料科学

作者： Yuta Taguchi, Motoaki Hirayama, Takashi Miyake

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16415v1

摘要： 我们研究了具有第一、第二和两种第三最近邻跳跃的 kagome 晶格模型的电子结构。我们发现，通过调整第三最近邻跳频，不仅可以在 Gamma - M 线上创建单个平带，还可以创建简并平带。我们提供实现这些目标的详细条件。这些能带的共存几乎可以在超级蜂窝排列中具有三角形缺陷的石墨烯的基本带隙附近实现。我们的结果强烈表明，长程电子跳跃为设计电子结构提供了新的可能性。

合成石墨烯气凝胶以吸收液体和气体污染物

分类： 应用物理, 材料科学

作者： George Gorgolis, George Paterakis, Costas Galiotis

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16392v2

摘要： 环境灾难，例如墨西哥湾的漏油事件，以及最近由散装货轮造成的毛里求斯漏油事件，是现代社会经常面临的一些生态问题。这些事故凸显了开发高效材料的必要性，这些材料可用于消除包括原油及其衍生物以及有毒有机溶剂在内的污染物。本研究的目的是通过两种主要方法实现石墨烯气凝胶的合成，并确定其作为液体和气体污染物吸收剂的效率。根据 Hong 等人提供的信息制备了石墨烯气凝胶。 （2015）和杨等人。 （2015）。这两种方法都是基于氧化石墨烯的化学还原作为第一步，然后形成气凝胶，提供了更具成本效益的解决方案，并产生类似于石墨烯的晶格结构。研究了所制造的材料对液体和气体污染物的吸收能力。将样本安装在充满特定挥发性有机化合物 (VOC) 的密闭微环境中。测试了三种VOC；甲醛、乙酸和盐酸，结果基于重量分析。为了提高获得数据的准确性，使用VOCs传感器测量饱和微环境中引入石墨烯气凝胶前后的电压变化。此外，石墨烯气凝胶在有机溶剂（即丙酮、乙醇和甲醇）中作为吸收剂进行了评估。

vdW反铁磁体VBr$_3$独特的磁结构

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Milan Klicpera, Ondrej Michal, David Hovancik, Karel Carva, Oscar Ramon Fabelo Rosa, M. Orlita, Vladimir Sechovsky, Jiri Pospisil

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16253v1

摘要： VBr$_3$ 是一种范德华反铁磁体，温度低于 26.5 K，饱和矩为 1.2 mB/f.u。高于在面内和面外方向检测到的变磁转变。为了通过实验揭示 VBr$_3$ 的 AFM 结构，我们对大型高质量晶体进行了单晶中子衍射研究。收集的数据证实了 90 K 以下高温菱面体结构的轻微单斜变形。尽管如此，磁性结构仍在 R-3 模型中进行了研究。揭示了反铁磁结构传播矢量k = (1,0,0.5)。为了确定磁结构，记录了 72 个非等效磁反射。实验数据面临着由 R-3 晶格对称性和传播矢量决定的磁空间群。对于空间群P-1.1'_c，实验数据与磁结构模型之间达到了最佳一致性。所提出的具有周期性6c的独特反铁磁结构的磁性单元由沿c轴反铁磁耦合的两个相同的三层构成。每个三层包括夹在两个反铁磁耦​​合的铁磁单层之间的N'eel反铁磁单层。

c 面蓝宝石上的 α-Ta 薄膜具有增强的微观结构

分类： 超导, 材料科学

作者： Lena N. Majer, Sander Smink, Wolfgang Braun, Bernhard Fenk, Varun Harbola, Benjamin Stuhlhofer, Hongguang Wang, Peter A. van Aken, Jochen Mannhart, Felix V. E. Hensling

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16227v1

摘要： α-Ta 超导薄膜是制造先进超导量子位的有希望的候选者。然而，α-Ta 薄膜存在许多生长引起的结构缺陷，对其性能产生负面影响。因此，我们探索了一种新的 α-Ta 薄膜合成方法，可以使这些薄膜的生长达到前所未有的质量。使用这种方法，可以在 1150°C 的相对较高的衬底温度下沉积高质量的 α-Ta 薄膜。它们是单相 α-Ta 薄膜，并具有单一的面外 (110) 取向。它们由大于 2 微米的晶粒组成，具有三种可能的面内取向之一。如扫描透射电子显微镜和电子能量损失研究所示，基底-薄膜界面清晰，没有可观察到的混合。对准六边形衬底上体心立方薄膜外延生长的深入了解为在各种应用中利用此类薄膜的高结构相干性奠定了基础。

工程高陈数绝缘子

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Sungjong Woo, Seungbum Woo, Jung-Wan Ryu, Hee Chul Park

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16225v1

摘要： 陈绝缘体的概念是拓扑物理学最重要的基石之一，它可以在没有外部磁场的情况下实现量子霍尔效应。陈绝缘子的建造通常是通过猜测和确认的方法进行的，这种方法效率低下且不可预测。在本文中，我们介绍了一种直接构造二维陈绝缘体的系统方法，该绝缘体可以提供任何非平凡陈数。我们的方法建立在一维 Rice-Mele 模型的基础上，该模型以其可调节的偏振特性而闻名，为操作提供了可靠的框架。通过将该模型扩展到二维，我们能够设计出有效展示预定拓扑量的晶格结构。这项研究不仅有助于陈绝缘体的发展，还为设计各种具有重要拓扑意义的晶格结构铺平了道路，可能会影响量子计算和材料科学。通过这种方法，我们将揭示在合成材料中设计更复杂和功能性拓扑相的途径。

过渡金属二硫属化物及其范德华异质结构的电子能谱纳米光学

分类： 材料科学

作者： Steffi Y. Woo, Luiz H. G. Tizei

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16218v1

摘要： 过渡金属二硫属化物 (TMD) 单层及其范德华 (vdW) 异质结构因其结构和二维中改进的电子-空穴库仑相互作用而具有出色的性能，使其成为潜在电光器件的有希望的候选者。然而，可复制设备的生产仍然具有挑战性，部分原因是纳米到原子尺度的可变性。因此，获得这些长度尺度的化学、结构和光学表征至关重要。虽然电子显微镜和光谱学可以提供化学和结构数据，但直到最近，通过电子光谱法获取纳米尺度的光学响应一直受到阻碍。本文重点介绍两种电子光谱在扫描（透射）电子显微镜中的应用，即阴极发光和电子能量损失光谱，以研究TMD原子层及其vdW异质结构的纳米光学。我们讨论了如何改进这些光谱学的技术进步（其中许多已经在进行中）将如何使它们成为研究纳米尺度 vdW 异质结构物理的理想选择。

蓝宝石中的声子流体动力学状态

分类： 材料科学

作者： Takuya Kawabata, Kosuke Shimura, Yuto Ishii, Minatsu Koike, Kentaro Yoshida, Shu Yonehara, Kohei Yokoi, Alaska Subedi, Kamran Behnia, Yo Machida

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16196v1

摘要： 当理想绝缘体冷却时，预计会相继出现四种热导率状态。其中两个，子曼和泊肃叶，是流体动力学状态，其中声子之间的碰撞大多是正常的。除了一些具有高水平同位素和化学纯度的绝缘体外，观察它们一直很困难。我们的热传输测量覆盖了 0.1 K 至 900 K 之间四个十年的温度，表明蓝宝石显示出所有四种状态，尽管它含有同位素杂质。在 Ziman 状态下，热导率呈指数增长，幅度高达 35,000 W/Km。我们表明，超纯、简单绝缘体（包括金刚石、硅和固体氦）的峰值热导率是通过取决于各向同性纯度的通用比例来设定的。蓝宝石的热导率比这种缩放所预期的热导率高一个数量级。我们认为，这可能是由于原始细胞中存在大量原子而导致光学和声学声子模式的接近造成的。

具有第一量子子程序的无轨道密度泛函理论

分类： 量子物理学, 材料科学

作者： Yusuke Nishiya, Hirofumi Nishi, Taichi Kosugi, Yu-ichiro Matsushita

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16191v1

摘要： 在这项研究中，我们提出了一种量子经典混合方案，使用概率虚时演化（PITE）来执行无轨道密度泛函理论（OFDFT），该方案是为容错量子计算机（FTQC）时代设计的，作为材料大型系统的计算方法。 PITE应用于OFDFT中在每次自洽场（SCF）迭代中搜索哈密顿量基态的部分，而电子密度和哈密顿量更新等其他部分则由经典计算机上的现有算法执行。当模拟单元离散化为$N_\mathrm{g}$个网格点时，结合量子相位估计（QPE）可知，获得哈密顿量的基态能量需要$O(\log N_\ mathrm{g})$. OFDFT 中的基态计算部分预计将得到加速，例如，通过根据估计的基态能量为局部最优块预条件共轭梯度 (LOBPCG) 方法创建适当的预处理器。

图表上带有变压器的晶体，用于预测非常规晶体材料特性和基准

分类： 材料科学, 机器学习, 计算物理

作者： Hongyi Wang, Ji Sun, Jinzhe Liang, Li Zhai, Zitian Tang, Zijian Li, Wei Zhai, Xusheng Wang, Weihao Gao, Sheng Gong, Bolong Huang, Hua Zhang

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16131v1

摘要： 晶格上的离子键和有序的微观结构赋予晶体独特的对称性并决定其宏观特性。特别是非常规晶体，表现出非传统的晶格结构或具有奇特的物理性质，使它们成为令人感兴趣的研究课题。因此，为了准确预测晶体的物理和化学性质，考虑长程有序至关重要。虽然 GNN 擅长捕获晶体中原子的局部环境，但由于深度有限，它们在有效捕获更远距离的相互作用方面常常面临挑战。在本文中，我们提出了 CrysToGraph ($\textbf{Crys}$tals with $\textbf{T}$ransformers $\textbf{o}$n $\textbf{Graph}$s)，一种新颖的基于 Transformer 的几何图专为非常规晶体系统设计的网络，以及UnconvBench，这是一个综合基准，用于评估模型对缺陷晶体、低维晶体和MOF等非常规晶体材料的预测性能。 CrysToGraph 有效地捕获与基于 Transformer 的图卷积块的短程交互以及与图方式 Transformer 块的远程交互。 CrysToGraph 证明了其在多个任务中对非常规晶体材料进行建模的有效性，此外，它优于大多数现有方法，在非常规晶体和传统晶体的基准上取得了新的最先进的结果。

二维异质结构中层间激子-声子耦合的起源

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Muralidhar Nalabothula, Ludger Wirtz, Sven Reichardt

发布时间： 2024-07-23

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16111v1

摘要： 在层状材料的各种异质结构中已经通过实验观察到了相邻层之间的激子和声子之间的耦合。然而，这种现象背后的确切机制仍然难以捉摸。以WSe$_2$@hBN异质结构为例，我们通过第一性原理计算研究了层间激子-声子耦合的起源及其在共振拉曼散射中的特征。我们的研究强调了晶体对称性在层间激子-声子散射过程中的核心作用，这导致了面内和面外六方氮化硼声子模式的反常共振拉曼强度。我们发现六方氮化硼声子引起的变形势与六方氮化硼界面附近WSe$_2$激子的杂化空穴密度相互作用，导致层间激子-声子耦合。

自动驾驶实验室发现了控制自发辐射的原理

分类： 光学, 材料科学, 机器学习

作者： Saaketh Desai, Sadhvikas Addamane, Jeffery Y. Tsao, Igal Brener, Remi Dingreville, Prasad P. Iyer

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16083v2

摘要： 我们开发了一个自主实验平台，以加速超快纳米光子学中可解释的科学发现，目标是一种引导可重构半导体超表面自发发射的新方法。控制自发辐射对于照明、热辐射工程和遥感领域的清洁能源解决方案至关重要。尽管具有嵌入式源的可重构半导体超表面具有用于时空控制的潜力，但实现任意远场控制仍然具有挑战性。在这里，我们提出了一个自动驾驶实验室（SDL）平台，该平台通过发现用于预测发光超表面远场发射轮廓的控制方程来应对这一挑战。我们发现局部折射率的空间梯度（类似光栅）和曲率（类似透镜）是控制自发发射的关键因素。 SDL 采用机器学习框架，包括：(1) 用于生成复杂空间折射率分布的变分自动编码器，(2) 用于通过实时闭环反馈指导实验的主动学习代理，以及 (3) 神经网络基于方程学习器来揭示结构-性质关系。在约 300 次实验中，SDL 在 72{\deg} 视场范围内的峰值发射方向性增强了四倍（高达 77%）。我们的研究结果表明，对于所有发射角度，正光栅和透镜的组合与负透镜和光栅一样有效，从而提供了一种超越传统傅里叶光学的控制自发发射的新颖策略。

压缩钠插层石墨的稳定性-超导图

分类： 超导, 材料科学

作者： Shashi B. Mishra, Edan T. Marcial, Suryakanti Debata, Aleksey N. Kolmogorov, Elena R. Margine

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16056v1

摘要： 最近在中等压力下对 Na-C 二元化合物进行的从头算研究发现了一种可能稳定的 NaC$4$ 超导体，估计临界温度高达 41K。我们通过对钠插层石墨构型进行更集中的探索，评估其热力学稳定性对不同（T，P）条件下密度泛函近似的敏感性，并用各向异性 Migdal-Eliashberg 检查其超导性能，重新审视这个有前途的二元系统形式主义。对可能的 Na 排列的组合筛选揭示了其他稳定的化学计量，即 Na$3$C${10}$、NaC$8$、NaC${10}$ 和 NaC${12}$，它们重新定义先前提出的凸包适用于高达 10 GPa 的压力。对不同范德华函数的形成焓的评估表明，所提出的化合物在零温度下可能不是热力学稳定的，但如果使用石墨作为起始材料，其中一些化合物可以由于振动熵或通过冷压缩形成而稳定。我们对 NaC$_4$ 中的电子-声子耦合进行了更严格的建模，证实了该材料具有高温超导性的潜力，其临界温度在 10 GPa 下达到 48 K，并揭示了电子不常见的明确定义的双能隙结构-掺杂化合物。通过跟踪可行的 Na-C 化合物中插层近自由电子态相对于费米能级的位置，我们绘制出强电子声子耦合所需的压力和成分范围，并确定 Na$3$C${ 10}$ 作为一种同样有前途的超导体。

通过成分修改避免将 316L 不锈钢分级为 Monel400 时出现裂纹

分类： 材料科学

作者： Zhening Yang, Alexander Richter, Hui Sun, Zi-Kui Liu, Allison M. Beese

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16050v1

摘要： 在连接铁合金和含铜合金以获得钢的高强度和铜合金的耐腐蚀性时，由于凝固过程中明显的铜微观偏析，导致在枝晶间形成富铜液膜，因此广泛观察到裂纹。凝固结束。通过制造功能梯度材料（FGM），在这些终端合金类别之间的过渡区域加入镍等附加元素，可以减少热裂纹。在本工作中，研究了通过改变梯度区域中的Ni浓度来连接不锈钢316L（SS316L）和Monel400。开发了一种基于混合 Scheil 平衡方法的新热裂纹准则，并使用 SS316L-Ni-Monel400 三合金系统内的整体多层样品以及制造的 SS316L 至 55/45 wt% SS316L/Ni 至 Monel400 FGM 样品进行了验证通过直接能量沉积（DED）工艺。基于混合谢尔平衡方法的新热裂纹准则预计也将有助于设计其他铁合金和含铜合金之间的 FGM 路径。

魔应变石墨烯超晶格的非常规超导性

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 计算物理

作者： Qingxiang Ji, Bohan Li, Johan Christensen, Changguo Wang, Muamer Kadic

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16044v1

摘要： 人们对扭曲双层石墨烯的莫尔魔角进行了广泛的研究，解开了非常规超导和绝缘态的谜团。与魔角类似，我们在这里通过明智地调整机械松弛（拉伸和压缩）来展示石墨烯系统中魔应变的新概念，这在实践中更容易实现。我们阐明了应变诱导效应的相互作用，并深入研究了松弛应变石墨烯中由此产生的非常规超导性或半金属-绝缘体转变，超越了传统的扭曲方法。我们的研究结果揭示了弛豫应变如何触发超导转变（在费米能级具有超平带）或半金属-绝缘体转变（在 $K$ 点处有一个间隙开口 $0.39\rm{~eV}$）单层和双层石墨烯。这些发现为相关现象开辟了一个新的分支，并为超导体的基础物理提供了更深入的见解，这将石墨烯定位为新型电子应用的高度可调平台。

对镍盐物理进行有效的双轨道描述

分类： 超导, 材料科学, 强关联电子

作者： Alpesh Sheth, Claudine LaCroix, Sébastien Burdin

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16042v1

摘要： 层状镍酸盐已成为高温超导的有希望的候选者，与经过充分研究的铜酸盐类似。这项研究提供了一个强大的理论框架来理解这些材料的电子结构，特别关注有效轨道的作用和额外费米口袋的出现。使用多轨道模型，考虑相关轨道的基本对称性和相互作用（$5d_{z^2}$、$3d_{z^2}$、$3d_{x^2-y^2}$ ，$2p_x$，$2p_y$，$2p_z$），我们研究了镍$3d_{z^2}$轨道对费米表面的影响以及有利于次级费米表面口袋出现的条件。我们的研究结果表明，$3d_{z^2}$轨道通过与稀土层的交换相互作用，可以改变费米表面，从而成为电子结构中的关键元素。我们开发了一个适用于 $RNiO_3$ 和 $RNiO_2$ 系列的有效双轨道模型，解释了费米表面对顶端氧存在和高压环境的敏感性。该模型捕捉了费米表面的演变，并预测了类似于铜酸盐超导体中观察到的磁化率特征。我们在这些镍酸盐系统中观察到林德哈德磁化率峰值位于波矢 $\mathbf{q} = (\pi, \pi)$ 处，与铜酸盐类似。该峰值可以通过压力和掺杂来调节。

Ba14MnBi11 神秘的磁性基态很可能是交变磁性的

分类： 材料科学

作者： Po-Hao Chang, Igor I. Mazin

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16019v1

摘要： 14-1-11 相的锰基过渡金属 Zintl 化合物由于其复杂的晶体结构而具有复杂的原子和磁性结构。其中，Ba14MnBi11 是最不为人所知的化合物之一，实验测量和理论结果很大程度上不一致。继之前的尝试之后[D. Sanchez-Portal et al., PRB 65, 144414 (2002)]通过基于 DFT 的分析建立金属性和磁性之间的联系，我们的工作旨在提供额外的见解来解决现有的矛盾。我们的主要发现是磁性基态非常容易受到电荷掺杂的影响。化学计量 Ba14MnBi11 的 DFT 计算给出了相当稳定的铁磁金属基态。然而，通过为每个 Mn 添加一个额外的电子，系统就会变成半导体，并且磁基态会变成弱反铁磁 (AF)。另一方面，在小孔掺杂后，系统会转变为一种特殊类型的 AF 状态，称为交磁有序。观察到的趋势表明，空穴和电子掺杂引起的相变可能是由不同的潜在机制引起的，影响各种交换途径。此外，我们预测的态密度以及能带结构分析表明，除了来自 Bi 四面体单元的最大空穴贡献之外，孤立的 Bi 位点也发挥着重要作用，并且 VBM 附近的色散带表明存在相当复杂的杂化网络涉及双乐队的两个角色。通过对现有数据和我们的分析的全面比较，我们提出实验结果和 DFT 计算之间磁态的不一致是由于非化学计量效应，可能是杂质或缺陷。

二维蜂窝状反铁磁体中磁振子输运诱发的电极化理论

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： D. Quang To, Federico Garcia-Gaitan, Yafei Ren, Joshua M. O. Zide, John Q. Xiao, Branislav K. Nikolić, Garnett W. Bryant, Matthew F. Doty

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.16004v1

摘要： 我们引入了一种量子力学形式来计算二维（2D）反铁磁体（AFM）中由于磁振子的自旋和轨道输运效应而产生的电极化。我们首先表明，二维共线蜂窝 AFM 中应用的温度梯度会导致在 2D AFM 边缘处同时具有轨道矩和自旋矩的磁振子累积，作为磁振子能斯特效应的表现。然后，我们使用形式主义证明，在 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用 (DMI) 存在的情况下，这种磁振子能斯特效应会引起可以通过实验测量的电极化。最后，我们通过使用它来预测两个 2D 蜂窝 AFM 的属性来证明这种形式的价值，每个 AFM 都具有 N'eel 和 zigzag 顺序。这些结果整合了磁振子学、自旋电子学和轨道电子学的进步，创建了一个统一的框架，可用于通过磁振子自旋和轨道自由度来理解和控制二维 AFM 中磁态的操纵。

磁八极阶下的非线性磁电效应：其在 $d$ 波交替磁体和全进/全出磁阶的烧绿石晶格中的应用

分类： 材料科学

作者： Jun Ōiké, Koki Shinada, Robert Peters

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15836v1

摘要： 最近对一类新的反铁磁序（称为磁八极序）进行了广泛的研究。由于其高阶多极子，该阶数可能被隐藏，使得使用反常霍尔效应等常规方法难以检测和操纵它。在本文中，我们提出非线性磁电效应（NMEE）作为一种由于相同的对称约束而可以检测和操纵磁八极阶的技术。为了证明这一点，我们首先根据磁性多极子对磁点组进行分类以识别磁体，最低等级的多极子是磁性八极子，并揭示了许多候选系统。然后，我们利用量子动力学理论推导 NMEE 张量，并展示其与量子几何性质的关系。最后，我们计算两个反铁磁体中的 NMEE，其中最低阶非零多极子是磁性八极子。具体来说，我们关注 $d$ 波交替磁体和具有全进/全出磁序的烧绿石晶格，揭示了 Weyl 点对 NMEE 的增强。最后，我们讨论了实验实现，并表明 NMEE 具有可通过磁光克尔效应检测到的相当大的值。

声子散射对热导率影响的量子计算

分类： 量子物理学, 材料科学, 计算物理

作者： Xiangjun Tan

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15808v1

摘要： 最近的研究表明，多声子散射过程极大地影响材料的热导率，随着声子模式复杂性的增加，对经典模拟提出了重大的计算挑战。这项研究探讨了量子模拟解决这些挑战的潜力，利用噪声中尺度量子时代 (NISQ) 量子计算能力和量子误差缓解技术来优化热导率计算。我们采用变分量子本征解算器 (VQE) 算法，基于玻尔兹曼传输方程 (BTE) 模拟声子-声子贡献。我们的方法涉及将多声子散射系统映射到费米子自旋算子，因此需要创建定制的 ansatz 来平衡电路精度和深度。我们使用玻色子算子在福克空间内构建系统，并将哈密顿量转换为适合量子计算的泡利算子之和。通过解决非单一噪声效应的影响，我们对噪声影响进行基准测试并实施误差缓解策略，以开发 NISQ 时代更有效的量子模拟模型。

具有相同和不同脉冲的铁电忆阻器的重量更新

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Suzanne Lancaster, Maximilien Remillieux, Moritz Engl, Viktor Havel, Claudia Silva, Xuetao Wang, Thomas Mikolajick, Stefan Slesazeck

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15796v1

摘要： 铁电隧道结 (FTJ) 是一类忆阻器，可实现低功耗、可扩展、场驱动的模拟操作。为了充分发挥其潜力，目标是使用相同的脉冲进行操作。在本文中，研究了 FTJ 的几种权重更新方案，使用不同或相同的脉冲，脉冲之间的时间延迟范围为 1 us 到 10 s。实验上，通过串联电阻限制开关电流，演示了一种在长编程延迟下使用相同脉冲实现非线性权重更新的方法。仿真表明，可以扩展这一概念，通过限制通过工作在亚阈值或饱和模式的晶体管的开关电流，实现 1T1C 单元中的权重更新。这导致权重更新的最大线性度为 87%。研究了当器件缩小到亚微米范围时该方案的缩放行为，并且缩放器件中的线性度略微降低至最大 81%。讨论了剩余非线性的根源以及如何克服这一问题。

用于增强平面锗中空穴可调性的背栅

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 量子物理学

作者： Luigi Ruggiero, Arianna Nigro, Ilaria Zardo, Andrea Hofmann

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15725v1

摘要： 平面半导体异质结构提供了多功能的器件设计，并且是可扩展量子计算的有希望的候选者。值得注意的是，基于应变锗的异质结构近年来得到了广泛的研究，重点是它们强大且可调节的自旋轨道相互作用、低有效质量和高空穴迁移率。然而，平面系统仍然受到限制势的形状与密度直接相关这一事实的限制。在这项工作中，我们展示了平面锗异质结构背栅的成功实现。背栅与顶栅相结合，可以独立控制密度和电场，这决定了重要的状态特性，例如有效质量、$g$因子和量子寿命。这种无与伦比的控制程度为工程量子位特性铺平了道路，并促进了双层量子阱的有针对性的调整，这有望实现更密集的量子位堆积。

混合卤化物钙钛矿中的激子极化子受激散​​射

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Igor Chestnov, Mikhail Masharin, Valeriy Kondratyev, Ivan Iorsh, Anton Samusev, Anatoly Pushkarev, Sergey Makarov, Ivan A. Shelykh, Vanik Shahnazaryan

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15709v1

摘要： 卤化物钙钛矿，例如甲基溴化铅铵 (MAPbBr$_3$)，具有紧密束缚的三维激子，在室温下非常稳定。 MAPbBr$_3$ 优异的光学特性允许在接近激子跃迁的频率范围内设计光学单模波导和腔。总而言之，这使得 MAPbBr$_3$ 成为在室温下探测激子极化非线性现象的绝佳平台。在这里，我们研究脉冲飞秒非共振激励下极化激元的超快非平衡动力学。我们证明了受激声声子辅助散射机制高于阈值泵注量的存在，其特征是发射强度的爆炸性增长、发射光谱最大值的红移、光谱变窄和亚皮秒发射动力学。我们的理论发现得到了实验测量结果的充分证实。

对“重新考虑非线性紧急电感：时变焦耳热及其对交流电响应的影响”的评论

分类： 材料科学

作者： Tomoyuki Yokouchi, Aki Kitaori, Daiki Yamaguchi, Naoya Kanazawa, Max Hirschberger, Naoto Nagaosa, Yoshinori Tokura

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15682v1

摘要： 当非共线自旋纹理由电流驱动时，由于涌现的电磁感应而产生涌现电场。到目前为止，这种现象已在多种材料中得到报道，体现了复阻抗的电流非线性虚部。最近，古田等人。提出了焦耳热引起的随时间变化的温度升高作为这些电流非线性复阻抗的替代解释[arXiv:2407.00309v1]。在本研究中，我们重新检查了 GdRuAl12 和 YMn6Sn6 中的非线性复阻抗，专门解决了随时间变化的温度升高的影响。我们的研究结果表明，这两种材料中非线性复阻抗的磁场角度、频率和温度依赖性不能用随时间变化的温度增加来解释。相反，非线性阻抗虚部的这些依赖性与涌现电磁感应理论中的预期行为一致。此外，我们观察到非线性复阻抗的重要实部，这可能是由与螺旋和畴壁的电流驱动运动相关的耗散引起的。我们的研究结果强调了旋磁体中自旋动力学起源的多种电流非线性输运现象。

Kitaev 蜂窝磁体 $α$-RuBr$_3$ 中之字形顺序的各向异性

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： John S. Pearce, David A. S. Kaib, Zeyu Ma, Danrui Ni, R. J. Cava, Roser Valenti, Radu Coldea, Amalia I. Coldea

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15658v1

摘要： 由于非基塔耶夫相互作用的存在，基塔耶夫材料通常在低温下呈磁性有序。扭矩磁力测量是一种非常灵敏的探测磁各向异性的技术，这对于理解磁基态至关重要。在这项工作中，我们报告了所提出的 Kitaev 候选蜂窝磁体 $\alpha$-RuBr$_3$ 中的详细单晶扭矩测量结果，该磁体在 34 K 以下显示锯齿阶。基于高达 16 的磁场中与角度相关的扭矩研究T 在垂直于蜂窝层的平面中旋转，我们发现了易平面各向异性，其扭矩幅度的温度依赖性与粉末磁化率的行为密切相关。在蜂窝平面内旋转的场的扭矩具有明显的锯齿形六重周期性，反映了晶体结构的三重对称性以及取决于场方向的不同锯齿形域的稳定性，扭矩幅度为遵循锯齿形阶段内的订单参数形式。通过将实验数据与理论计算进行比较，我们确定了该候选 Kitaev 材料中相关的各向异性相互作用以及不同锯齿形域之间的竞争作用。

接近金属-绝缘体转变的候选基塔耶夫自旋液体中的各向异性磁相互作用

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Zeyu Ma, Danrui Ni, David A. S. Kaib, Kylie MacFarquharson, John S. Pearce, Robert J. Cava, Roser Valenti, Radu Coldea, Amalia I. Coldea

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15657v1

摘要： 在基塔耶夫蜂窝模型中，强受抑各向异性相互作用耦合的自旋在低温下不会有序，而是形成量子自旋液体，自旋分裂为马约拉纳费米子和静态通量。在晶体材料中实现这种模型可能会在理解纠缠量子态方面带来重大突破，但在实践中实现这一目标是一项非常具有挑战性的任务。最近合成的蜂窝材料 RuI$_3$ 在最低探测温度下没有表现出长程磁序，理论上被提议作为处于绝缘体到金属过渡边缘的量子自旋液体候选材料。在这里，我们报告了通过扭矩磁力测量对非孪晶单晶中磁各向异性的全面研究，并检测了强各向异性和受挫磁相互作用的清晰特征。通过与理论计算进行比较，我们将锯齿波和六倍扭矩信号的发展归因于强各向异性、键相关的磁相互作用。作为低温下磁场强度的函数，扭矩表现出不寻常的非抛物线依赖性，表明接近场引起的转变。因此，RuI$_3$，没有长程磁序的特征，显示出具有增强量子涨落的扩展基塔耶夫磁性的令人兴奋的新候选者的关键特征。

利用密度泛函理论的机器学习增强无铅卤化物钙钛矿材料设计

分类： 材料科学

作者： Upendra Kumar, Hyeon Woo Kim, Gyanendra Kumar Maurya, Bincy Babu Raj, Sobhit Singh, Ajay Kumar Kushwaha, Sung Beom Cho, Hyunseok Ko

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15573v1

摘要： 人们对新兴无毒钙钛矿材料进行了研究，以推进环境可持续的无铅钙钛矿太阳能电池的制造。这项研究引入了一种机器学习方法，旨在预测有望用于光伏应用的创新卤化物钙钛矿材料。新预测的七种材料如下：CsMnCl$_4$、Rb$_3$Mn$_2$Cl$_9$、Rb$_4$MnCl$_6$、Rb$_3$MnCl$_5$、RbMn$_2$Cl $_7$、RbMn$_4$Cl$_9$ 和 CsIn$_2$Cl$_7$。首先使用机器学习方法筛选预测的化合物，然后通过密度泛函理论计算验证其有效性。 CsMnCl$_4$ 其中值得注意，其带隙为 1.37 eV，落在 Shockley-Queisser 极限之内，使其适合光伏应用。通过机器学习和密度泛函理论的整合，这项研究提出了一种对于材料的发现和设计来说更有效和彻底的方法。

网络激光器中的视网膜形态特征检测和机器视觉

分类： 无序系统和神经网络, 介观和纳米物理, 材料科学, 光学

作者： Wai Kit Ng, Jakub Dranczewski, Anna Fischer, T V Raziman, Dhruv Saxena, Tobias Farchy, Kilian Stenning, Jonathan Peters, Heinz Schmid, Will R Branford, Mauricio Barahona, Kirsten Moselund, Riccardo Sapienza, Jack C. Gartside

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15558v1

摘要： 生物视觉系统无缝集成特征敏感的空间处理和强非线性。视网膜通过神经节细胞执行特征检测，神经节细胞通过相邻细胞之间的横向抑制过程非线性增强图像特征，例如边缘。随着对专用机器学习硬件的需求增加，人们寻求将特征检测与图像分类等任务所需的非线性处理结合起来的物理系统。目前，物理机器视觉方案线性检测特征，然后采用单独的数字系统进行后续非线性激活。在这里，我们介绍一种使用半导体网络激光器的仿生“视网膜形态”机器视觉平台。该系统拥有许多空间重叠的激光模式，可通过其激光幅度并行检测多个图像特征。积分非线性是由模式之间增益的对抗竞争提供的——视网膜细胞中横向抑制的光子类似物。检测到的特征图通过系统反馈，提供具有内在非线性处理的多层图像分类。 MNIST 数字和 Fashion-MNIST 任务的准确率分别达到 98.05% 和 87.85%。

Rb2Ti2O5：亚微米级层状离子导体

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Valerio Digiorgio, Karen Sobnath, Maria Luisa Della Rocca, Clément Barraud, Rémi Federicci, Armel Descamps-Mandine, Brigitte Leridon

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15490v1

摘要： 在过去的几年里，离子导体受到了广泛的关注，因为它们可以在各种应用中实现，例如超级电容器、电池或燃料电池以及电阻存储器。特别是，层状二维 (2D) 晶体，如 h-BN、氧化石墨烯和 MoSe2，已显示出源自运动离子的特定 2D 限制的独特性能。两个重要参数是离子电导率和各种操作条件下的化学稳定性。在这方面，最近发现 Rb2Ti2O5 显示出卓越的性能，例如超离子传导和巨大的等效介电常数。在此，提出了第一种研究 100 纳米尺度层状 Rb2Ti2O5 电性能的方法。据报道，通过所谓的胶带技术，通过显微拉曼光谱和原子力显微镜 (AFM) 测量机械剥离的 RTO 纳米晶体进行表征。最后，给出了对剥离的 RTO 纳米晶体进行电学测量的结果，并且发现该结果与在宏观晶体上获得的结果一致。 4

文本到电池配方：基于语言建模的协议，用于自动电池配方提取和检索

分类： 计算和语言, 材料科学

作者： Daeun Lee, Jaewoong Choi, Hiroshi Mizuseki, Byungju Lee

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15459v1

摘要： 最近的研究越来越多地应用自然语言处理（NLP）来从大量的电池材料文献中自动提取实验研究数据。尽管电池制造涉及从材料合成到电池组装的复杂过程，但目前还没有系统地组织这些信息的全面研究。为此，我们提出了一种基于语言建模的协议，文本到电池配方（T2BR），用于自动提取端到端电池配方，并使用含有 LiFePO4 正极材料的电池案例研究进行了验证。我们报告了基于机器学习的论文过滤模型，从基于关键词的搜索结果中筛选出 2,174 篇相关论文，并采用无监督主题模型来识别与阴极合成相关的 2,876 个段落和与电池组装相关的 2,958 个段落。然后，围绕这两个主题，开发了两种基于深度学习的命名实体识别模型，提取了总共30个实体——包括前体、活性材料和合成方法——获得了88.18%和94.61%的F1分数。实体的准确提取能够系统地生成 165 个 LiFePO4 电池的端到端配方。我们的方案和结果为特定趋势提供了宝贵的见解，例如前体材料和合成方法之间的关联，或不同前体材料之间的组合。我们预计我们的研究结果将作为促进电池配方信息检索的基础知识库。拟议的协议将显着加快电池材料文献的审查，并促进电池设计和开发的创新。

纳米线对称和反对称交换相互作用的简化理论

分类： 偏微分方程分析, 材料科学, 数学物理, 数学物理, 模式形成和孤子, 49S05, 35C20, 35Q51, 82D40

作者： Giovanni Di Fratta, Filipp N. Rybakov, Valeriy Slastikov

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15430v1

摘要： 我们研究了由规则简单曲线 $\gamma$ 生成并在 $\mathbb{S}^2$ 值函数空间中定义的线上支持的扰动狄利克雷能量最小化器的行为。扰动 $K$ 由 $\mathbb{S}^2$ 上定义的矩阵值函数表示，值在 $\mathbb{R}^{3 \times 3}$ 中。在 $K$ 上的自然规律性条件下，我们证明了扰动狄利克雷能量族在 $\Gamma$ 收敛的意义上收敛到 $\gamma$ 上的简化能量泛函。减少的能量揭示了部分反对称交换相互作用如何促成各向异性项，其具体形状取决于 $\gamma$ 的曲率。我们还讨论了当 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用 (DMI) 存在时，我们的结果对铁磁纳米线研究的重大影响。

通过机器学习原子间势能准确估计硅和金刚石之间的界面热导

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Ali Rajabpour, Bohayra Mortazavi, Pedram Mirchi, Julien El Hajj, Yangyu Guo, Xiaoying Zhuang, Samy Merabia

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15404v1

摘要： 硅-金刚石界面的热管理对于推进高性能电子和光电设备至关重要。在这项研究中，我们使用根据密度泛函理论 (DFT) 数据训练的机器学习 (ML) 原子间势来计算硅和金刚石之间的界面热导。使用非平衡分子动力学 (NEMD) 模拟，我们计算了各种系统尺寸的界面热导 (ITC)。我们的结果显示，与使用传统半经验势（例如 Tersoff 和 Brenner）获得的结果相比，与实验数据更接近，后者将 ITC 高估了约 3 倍。此外，我们还分析了与频率相关的传热谱，从而深入了解了不同声子模式对界面热导的贡献。 ML 势准确地捕获了声子色散关系和寿命，与 DFT 计算和实验观察非常一致。结果表明，与 DFT 结果相比，Tersoff 势预测更高的声子群速度和声子寿命。此外，它预测更高的界面结合强度，这与与 ML 势相比更高的界面热导一致。这项研究重点介绍了使用 ML 原子间势来提高复杂材料系统中热传输模拟的准确性和计算效率。

基于机器学习的计算振动光谱揭示 a-Al2O3(0001)-水界面的分子结构

分类： 材料科学, 化学物理, 计算物理

作者： Xianglong Du, Weizhi Shao, Chenglong Bao, Linfeng Zhang, Jun Cheng, Fujie Tang

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15338v1

摘要： 固水界面对于许多物理和化学过程至关重要，并且使用表面特定和频发生（SFG）光谱进行了广泛的研究。为了在特定光谱特征和不同界面水结构之间建立明确的相关性，需要使用分子动力学（MD）模拟进行理论计算。这些 MD 模拟通常需要相对较长的轨迹（几纳秒）才能通过偶极子极化时间相关函数实现可靠的 SFG 响应函数计算。然而，对长轨迹的要求限制了计算成本高昂的技术的使用，例如从头算MD（AIMD）模拟，特别是对于复杂的固水界面。在这项工作中，我们提出了一种使用机器学习 (ML) 加速方法计算固水界面振动光谱（IR、拉曼、SFG）的途径。我们采用偶极矩-极化率相关函数和表面特定速度-速度相关函数方法来计算 SFG 谱。我们的结果证明了 AIMD 模拟的成功加速以及使用 ML 方法计算 SFG 光谱的成功。这一进步提供了借助机器学习以更低的计算成本更快地计算复杂固体水系统的 SFG 光谱的机会。

研究金属掺杂剂降低顶部金接触单层 MoS2 的接触电阻

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Saurabh Kharwar, Soham Sinha, Tarun Kumar Agarwal

发布时间： 2024-07-22

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15336v2

摘要： 金 (Au) 触点和二硫化钼 (MoS2) 之间的界面特性对于优化半导体器件的性能至关重要。本研究研究了金属掺杂剂 (D) 对具有顶部 Au 触点的 MoS2 器件传输特性的影响，旨在降低接触电阻并提高器件性能。使用密度泛函理论 (DFT) 和基于非平衡格林函数 (NEGF) 的第一性原理计算，我们研究了金接触金属掺杂 MoS2 的结构、电子和量子输运特性。我们的结果表明，Cd、Re 和 Ru 掺杂剂显着提高了 MoS2 的结构稳定性和电子性能。具体来说，形成能计算表明，Cd 和 Re 在空心位置稳定，而 Ru 更喜欢键位。值得注意的是，基于 Au-Ru-MoS2 的器件表现出高达 4.82 ohm-um 的隧道电阻 (RT )。此外，双栅极 Au-Ru-MoS2 场效应晶体管 (FET) 在 Vgs 为 2 V 时表现出令人印象深刻的 10^8 的 Ion/Ioff 比，凸显了其在纳米开关应用中的潜力。

原子球近似 (ASA) 内的能量窗松饼锡轨道 (EWMTO)

分类： 材料科学, 化学物理, 计算物理

作者： Garry Goldstein

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15299v1

摘要： 在这项工作中，我们为电子结构问题提出了一个新的有效基础。其基础基于松饼轨道 (MTO) 思想，即 Khon Sham (KS) 哈密顿量的本征态可以用所谓的松饼 (MT) 球体和贝塞尔内的球平均 KS 哈密顿量的本征态进行扩展间隙中的函数乘以适当的球谐函数。在这里，我们利用这样一个事实：寻找基态电子密度问题的解决方案通常是通过迭代过程来完成的，一般要进行 20 多次迭代，直到基态电子密度和能量收敛到最低值由外部势的固定形式的相关性和交换函数所允许。我们使用来自先前收敛迭代的本征态信息来选择球平均 KS 哈密顿量的本征态能量。此外，在原子球近似（ASA）中，贝塞尔函数的能量并不重要，因为它们被抵消了。这是一种有效的方法，旨在研究具有大晶胞的材料的电子结构，特别是当它们是密堆积形式时，ASA 特别准确。

160 GPa 的结晶镁橄榄石：宇宙最丰富的矿物之一具有惊人的亚稳定性

分类： 地球和行星天体物理学, 材料科学, 地球物理学

作者： Barbara Lavina, Minta C. Akin, Yue Meng, Vitali Prakapenka

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15263v1

摘要： 宇宙中最重要的事件之一是产生快速变化的极端压力和温度的巨大影响。 (Mg, Fe)2SiO4 的晶体和非晶体形式在行星和太空中大量存在且分布广泛。在许多对行星形成和演化至关重要的过程中，尤其是冲击事件中，这些矿物的行为预计会偏离热力学平衡。为了进一步了解硅酸盐在极端条件下的行为，我们将镁橄榄石晶体静态压缩至 160.5 GPa，远远超出了化合物的稳定场，并通过同步加速器微衍射探测了其长程有序性。我们发现镁橄榄石在达到最高压力时仍保持长程有序。镁橄榄石 III 在约 58 GPa 时出现，在压缩至 160.5 GPa 时持续存在，在减压至约 13 GPa 时持续存在，这是罕见的近 150 GPa 亚稳态相的组合。这些观察结果与先前关于压力引起的非晶化的报道存在争议，并且是准静水压缩中晶态弹性的独特证明。我们证实，镁橄榄石 III 的减压可以得到高度无序的镁橄榄石，正如进一步减压后在 7 GPa 下观察到的长程有序性的大量损失所表明的那样。这种动力学途径可以解释如何在冲击实验中获得合成橄榄石玻璃，并且可能是宇宙尘埃中无定形镁橄榄石生成的机制。 120 GPa Hugoniot 不连续性在我们的数据中没有找到对应关系，这标志着静态“冷压缩”和动态压缩之间的并行性的背离。

通过掺杂工程优化Li$_7$PS$_6$银银矿中锂的离子电导率

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Sokseiha Muy, Thierry Le Mercier, Marion Dufour, Marc-David Braida, Antoine A. Emery, Nicola Marzari

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15258v1

摘要： 含锂银汞矿代表了一个有前途的锂离子导体家族，其几种衍生化合物的室温离子电导率> 1 mS/cm，这使得它们成为固态锂离子电池中电解质的潜在候选者。从母相 Li7PS6 开始，尝试了几种阳离子和阴离子取代策略来提高锂离子的电导率。尽管如此，人们仍然缺乏对锂硫银矿的天然缺陷和掺杂的热力学及其对锂离子电导率影响的详细了解。在这里，我们报告了对母相 Li7PS6 在内在和外在状态下的缺陷化学的全面计算研究，使用新开发的工作流程在热力学一致的框架中自动计算多个缺陷形成能量。我们的研究结果与已知的实验结果一致，排除了几种不利的异价掺杂剂，缩小了可以进行实验测试的潜在有前途的候选者的范围。我们还发现，阳离子-阴离子共掺杂可以提供一种强有力的策略来进一步优化银辉石的组成。特别是，Si-F 共掺杂预计在热力学上是有利的；这可能导致第一个掺氟含锂银辉石的合成。最后，使用 DeePMD 神经网络，我们将离子电导率图谱绘制为从缺陷计算中确定的最有希望的阳离子和阴离子掺杂剂浓度的函数，并确定了组成空间中最有希望的具有高 Li 电导率的区域，该区域可以进行了实验探索。

卤化铅钙钛矿晶体中光致发光的凯尔迪什调谐

分类： 材料科学

作者： Zhuquan Zhang, Honglie Ning, Zi-Jie Liu, Jin Hou, Aditya D. Mohite, Edoardo Baldini, Nuh Gedik, Keith A. Nelson

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15253v1

摘要： 1964 年，凯尔迪什描绘了强交流驱动力下从多光子吸收到量子电子隧道的普遍转变，为原子、分子和固态系统中的强场物理奠定了基础。虽然半导体中的这两种过程都可以产生载流子并通过电子空穴复合导致光子发射，但大多数材料的低量子产率阻碍了对凯尔迪什交叉的直接观察。利用卤化铅钙钛矿中光致发光的大量子产率，我们证明我们不仅可以从极端的亚带隙光激发中诱导出明亮的光发射，而且可以区分光子诱发和电场诱发的过程。我们的结果通过朗道-戴赫尼形式主义进行了合理化，为强场光与物质相互作用的非平衡动力学提供了见解。这些发现为光上转换和亚带隙光子检测开辟了新途径，凸显了卤化铅钙钛矿在先进光电应用中的潜力。

物理编码提高了深度学习材料属性预测中的 OOD 性能

分类： 材料科学

作者： Nihang Fu, Sadman Sadeed Omee, Jianjun Hu

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15214v1

摘要： 深度学习（DL）模型已广泛应用于材料性能预测并取得巨大成功，特别是对于具有大数据集的性能。然而，此类模型的分布外（OOD）性能值得怀疑，特别是当训练集不够大时。在这里，我们表明，使用物理编码而不是广泛使用的 one-hot 编码可以通过提高模型的泛化性能来显着提高 OOD 性能，对于使用小数据集训练的模型尤其如此。我们对六个数据集（包括形成能、带隙、折射率和弹性属性预测）基于成分和结构的深度学习模型的基准结果证明了物理编码对于小数据集训练的模型的 OOD 泛化的重要性。

解开晶体材料的皮光子学

分类： 光学, 材料科学

作者： Sathwik Bharadwaj, Zubin Jacob

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15189v1

摘要： 纳米光子学研究小于辐射波长的尺度上的光与物质相互作用，在等离子体波导、拓扑光子晶体、超级透镜、太阳能吸收器和红外成像等领域有着广泛的应用。控制这些效应的物理现象可以通过使用称为折射率的宏观均匀量来捕获。然而，利用量子理论对晶体材料中光波的晶格级描述长期以来一直没有得到解决。受电子波动力学及其相应能带结构的启发，我们提出了固体的皮光能带理论，揭示了隐藏在晶格深处的波。我们证明这些隐藏的波源自光学皮指数，这是一系列遵守晶体对称性的量子函数，并且不能用传统的折射率概念来描述。我们首次展示 14 种不同材料的隐藏波和皮光能带结构。我们选择 Si、Ge、InAs、GaAs、CdTe 以及 IV、III-V 和 II-VI 族中的其他材料，因为它们的技术相关性，但我们的框架很容易适用于各种新兴的 2D 和 3D 材料。与当今广泛使用的这些材料的宏观折射率形成鲜明对比的是，这种皮光子框架表明隐藏的波存在于整个晶格中，并且具有独特的皮偏振纹理和拥挤。我们还推出了一个开源软件包 Purdue-PicoMax，供研究界发现六方氮化硼、石墨烯和莫尔材料等新材料中隐藏的波。我们的工作建立了一个基本的晶体学特征，以发现光与物质相互作用中的新型皮光波。

顺应晶格调制使 Ni-Mn-Ga 马氏体具有反常弹性

分类： 材料科学

作者： Kristýna Repček, Pavla Stoklasová, Tomáš Grabec, Petr Sedlák, Juraj Olejňák, Mariia Vinogradova, Alexei Sozinov, Petr Veřtát, Ladislav Straka, Oleg Heczko, Hanuš Seiner

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15181v1

摘要： Ni-Mn-Ga 基铁磁形状记忆合金的调制马氏体中孪晶界的高迁移率有望实现独特的磁机械应用。迄今为止，这一特征尚未被完全理解，特别是尚未揭示调制 Ni-Mn-Ga 的晶格力学与其他马氏体合金有何不同。在这里，对分层孪生五层调制 (10 M) 晶体进行专用激光超声波测量的结果填补了这一空白。结合瞬态光栅光谱和激光共振超声光谱，证实晶格中存在剪切弹性不稳定性，其强度明显强于任何其他马氏体材料，也强于第一性原理计算的 Ni- Mn-Ga预测。实验结果表明，不稳定性与晶格调制直接相关。提出了解释这种行为的调制序列动态故障的晶格尺度机制；这种机制可以解释孪生边界在 10 M 范围内的非凡迁移性。

U-He化合物高压下结构与热力学性质的理论研究

分类： 材料科学, 应用物理, 计算物理

作者： Ye Cao, Hongxing Song, Xiaozhen Yan, Hao Wang, Yufeng Wang, Fengchao Wu, Leilei Zhang, Qiang Wu, Hua Y. Geng

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15164v1

摘要： 由于释放的能量巨大，铀被认为是一种非常重要的核能材料。氦作为铀自然衰变的主要产物，由于其化学惰性，很难与铀发生反应。因此，铀内部会形成气泡，从而大大降低铀的性能或引起安全问题。此外，核材料通常在高温高压环境下运行，因此有必要弄清楚极端条件下铀中氦的准确状态。在这里，我们利用密度泛函理论计算探讨了U-He系统在高压高温下的结构稳定性。在 50 至 400 GPa 之间发现了两个亚稳态相：具有空间群 Fmmm 的 U4He 和具有空间群 P-1 的 U6He。两者均为金属材质，并采用层状结构。电子局域函数计算结合电荷密度差分析表明Fmmm-U4He和P-1-U6He中U和U原子之间均存在共价键。与${\alpha}$-U的弹性模量相比，氦的添加对铀的力学性能有一定的影响。此外，还进行了第一性原理分子动力学模拟，研究了Fmmm-U4He和P-1-U6He在高温下的动力学行为。研究发现Fmmm-U4He和P-1-U6He在150 GPa下发生一维超离子相变。我们的研究揭示了高压高温下 U-He 化合物超越气泡形式的奇异结构，这可能与核材料在极端条件下的性能和安全问题有关。

Nd2RhSi3 中奇异的 Nd 4f 电子磁性

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： E V Sampathkumaran, Kartik K Iyer, Sudhindra Rayaprol, Kalobaran Maiti

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15157v1

摘要： 该化合物 Nd2PdSi3 属于 R2PdSi3 家族（R = 稀土），已知由于不寻常的 Nd 4f 杂化而表现出奇异的行为。在这里，我们采用交流和直流磁化、热容量、电阻率和磁阻测量来研究 Nd2RhSi3 的电子特性，因为 Nd 4f 杂化预计会因 4d 元素的变化而略有不同。实验结超过 10 K）。与 Pd 类似物相比，测量的特性存在差异，最重要的一个是在显着高于居里温度的温度下观察到的自旋玻璃特征。这归因于团簇磁性随着温度的降低而逐渐演化。我们推断，Rh 4d（而不是 Pd 4d）引起的 Nd 4f 杂交变化以某种方式对这种差异发挥了作用。这些特性归因于由于具有键无序的 Nd 离子的三角形排列而产生的几何挫败而导致的竞争磁性基态。

高压下多铁氧化物Mn3TeO6结构与电子性能的第一性原理研究

分类： 材料科学, 其他凝聚态物质, 应用物理, 计算物理

作者： Xiao-Long Pan, Hao Wang, Lei Liu, Xiang-Rong Chen, Hua Y. Geng

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15150v1

摘要： 实验发现Mn3TeO6（MTO）在高压下采用P21/n结构，与大气R-3相相比，其带隙明显更小。在本研究中，我们通过第一性原理计算系统地研究了高压下MTO的磁性、结构相变和电子特性。 MTO 的 R-3 相和 P21/n 相在零温下均具有反铁磁性。 R-3 相在 7.58 GPa 下转变为 P21/n 相，并伴随着约 6.47% 的相当大的体积塌陷。采用DFT+U和G0W0相结合的精确方法，计算出的R-3相零压带隙与实验值非常接近，而P21/n相的带隙则明显高估。造成这种差异的主要原因是实验研究错误地使用间接带隙的Kubelka-Munk图来获得P21/n相的带隙，而不是直接带隙的Kubelka-Munk图。此外，我们的研究表明，从 R-3 相到 P21/n 相的转变伴随着带隙的轻微减小。

一维 SWCNT-BNNT 范德华异质结构上的 Janus MoSSe 纳米管

分类： 材料科学

作者： Chunxia Yang, Qingyun Lin, Yuta Sato, Yanlin Gao, Yongjia Zheng, Tianyu Wang, Yicheng Ma, Mina Maruyama, Susumu Okada, Kazu Suenaga, Shigeo Maruyama, Rong Xiang

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15145v1

摘要： 具有破镜对称性的二维 Janus TMDC 层表现出巨大的 Rashba 分裂和独特的激子行为。对于一维对应物，Janus 纳米管具有曲率，这引入了额外的自由度来打破结构对称性。这可能会增强这些效果，甚​​至产生新的特性。此外，Janus MSSe 纳米管（M=W、Mo）的直径超过 4 nm，Se 位于外部，始终表现出比 Janus 单层纳米管更低的能态。然而，由于合成挑战和样品质量有限，对 Janus 纳米管制备的研究有限。在这里，我们首先基于SWCNT-BNNT异质结构合成了MoS2纳米管，然后探索了在室温下借助H2等离子体从MoS2纳米管生长Janus MoSSe纳米管。通过拉曼光谱证实了Janus结构的成功形成，并进一步表征了生长样品的微观形貌和元素分布。基于 SWCNT-BNNT 的 Janus MoSSe 纳米管的合成使得能够进一步探索 Janus TMDC 纳米管的新特性。

寻找高于室温的铁磁自旋电子材料的可行方法：来自平带工程

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Yuanji Xu, Xintao Jin, Jiacheng Xiang, Huiyuan Zhang, Fuyang Tian

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15142v1

摘要： 寻找和设计在室温以上工作的铁磁体对于推进高性能自旋电子器件至关重要。开创性的范德瓦尔斯 (vdW) 铁磁体 Fe$_3$GaTe$_2$ 通过在其类似物中实现创纪录的高居里温度，拓展了自旋电子学应用的道路。然而，提高Cuire温度的物理机制仍需探索。在这里，我们提出了一种通过平带工程发现用于自旋电子应用的高温铁磁材料的实用方法。我们直接从强相关计算中模拟磁转变，将 $d$ 电子的双重性质与局域化和流动特征相协调。值得注意的是，我们的系统研究揭示了铁磁相变之前集体多体激发产生的准粒子平带的出现，通过正反馈机制增强了磁稳定性。这项研究为利用低维 vdW 平带系统探索下一代自旋电子器件提供了一条有前途的途径。

蛋白质临界量子态的全息性质

分类： 无序系统和神经网络, 介观和纳米物理, 材料科学, 生物分子

作者： Eszter Papp, Gabor Vattay

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15101v1

摘要： 安德森金属-绝缘体转变是凝聚态物理学中的基本现象，描述了由材料无序驱动的从导电（金属）状态到非导电（绝缘）状态的转变。在安德森转变的临界点，波函数表现出多重分形行为，并且能级表现出普适分布，表明本征态中存在非平凡的相关性。最近的研究表明，传统上被认为是绝缘体的蛋白质表现出比之前假设的高得多的电导率。在本文中，我们研究了几种以其高效电子传输特性而闻名的蛋白质。我们将它们的能级统计数据、本征函数相关性和电子返回概率与金属、绝缘或临界状态下的预期进行比较。值得注意的是，这些蛋白质在自然状态下表现出严重无序金属的特性，无需任何参数调整。它们的组成和几何形状自组织到安德森转变的临界状态，并且它们的分形性质在临界系统中是普遍且独特的。我们的研究结果表明蛋白质的波函数满足“全息”面积定律，并且相关分形维数恰好为$d_2=2$。

双层堆叠A型交变磁体：产生二维交变磁体的通用方法

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Sike Zeng, Yu-Jun Zhao

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15097v1

摘要： 在本文中，我们提出了双层堆叠A型交替磁体（BSAA）的新概念，其中两个相同的铁磁单层通过反铁磁耦合堆叠形成二维A型交替磁体。通过求解堆叠模型，我们推导了所有层组的所有 BSAA，并得出三个关键结论：（1）只有 17 个层组才能实现本征 A 型交变磁性。所有2D A型互变磁体都必须属于这17层组，这将有助于寻找2D A型互变磁体。 (2) 不可能使用 $S_{3z}$ 或 $S_{6z}$ 连接 BSAA 的两个子晶格，这一约束也适用于所有 2D 交流磁体。 (3) $C_{2\alpha}$ 是为任意单层生成 BSAA 的通用堆叠操作。我们的理论不仅可以解释之前报道的扭曲双层交替磁体，而且可以为生成A型交替磁体提供更多可能性。我们的研究极大地拓宽了二维交流磁体候选材料的范围。基于结论(1)，双层NiZrCl$_6$预计表现出本征A型交变磁性。此外，我们使用先前文献中报道的扭转双层 NiCl$_2$ 作为 BSAA 的第二个例子。此外，利用对称性分析和第一性原理计算，我们仔细研究了它们的自旋动量锁定特性，以证实它们的交磁特性。

滑动铁电体的确定性和高效开关

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 计算物理

作者： Shihan Deng, Hongyu Yu, Junyi Ji, Changsong Xu, Hongjun Xiang

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15081v1

摘要： 最近的研究强调了二维（2D）滑动铁电体的科学重要性和广泛的应用前景，这种铁电体普遍表现出具有适当堆叠的垂直极化。了解滑动铁电的机制并通过优化的电场确定性且有效地切换极化至关重要。在这里，应用我们新开发的 DREAM-Allegro 多任务等变神经网络，它同时预测原子间势和玻恩有效电荷，我们构建了氮化硼 ($\mathrm{BN}$) 双层的综合势。分子动力学模拟揭示了高达 1500K 的极高居里温度，这得益于强大的层内化学键和微妙的层间范德华 (vdW) 相互作用。更重要的是，我们发现，与面外电场相比，倾斜场不仅导致电极化的确定性切换，而且由于面内电场的存在，大大降低了场的临界强度。过渡态的平面偏振。这种倾斜场策略被证明对于其他具有属于对称群 $p \bar{6} m 2$ 的单层结构的滑动铁电系统是通用的，例如过渡金属二硫属化物（TMD）。

通过从头算 Bethe-Salpeter 方程计算研究 ${\mathrm{WSe}}_{2}$ 单层的电子能量损失谱和激子能带结构

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Yun-Chen Shih, Fredrik Andreas Nilsson, Guang-Yu Guo

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15039v1

摘要： 过渡金属二硫属化物单层中的束缚激子导致了许多光电应用，这需要对激子动力学的详细了解。具有有限动量转移 $\textbf{Q}$ 的激子的动力学性质可以使用电子能量损失（EEL）光谱进行实验研究。 EEL 光谱取决于材料的响应函数，而材料的响应函数又由激子能带结构中的激子能量和特征向量决定。在这项工作中，我们利用从头算密度泛函理论加上 Bethe-Salpeter 方程 (DFT+BSE) 方法来探索激子能带结构以及单层 ${\mathrm{WSe 中 $\textbf{Q}$ 分辨的 EEL 谱}}{2}$。特别是，我们仔细检查了准二维（2D）系统现有EEL谱公式之间的差异和联系，并建立了EEL谱的正确定义，然后用于计算单层${ \mathrm{WSe}}{2}$。我们发现，值得注意的是，计算出的面内动量传递的最低能量 EELS 峰的色散几乎精确地遵循最低亮 A 激子的非抛物线上能带，并且也与之前的实验非常吻合。此外，我们发现只有电偶极子与转移动量方向平行的亮激子才会被激发，即 EEL 光谱选择性地探测亮激子带。这解释了为什么在之前的实验中只观察到A激子的上带，A激子是具有面内偶极矩的纵向激子。我们的发现将激发进一步的 EEL 实验来测量激子能带结构的其他分支，例如 A 激子的抛物线下能带，从而更好地理解准二维材料中的激子动力学。

MnBi2Te4-Bi2Te3 拓扑异质结构中原子层控制的磁序

分类： 材料科学

作者： Xiong Yao, Qirui Cui, Zengle Huang, Xiaoyu Yuan, Hee Taek Yi, Deepti Jain, Kim Kisslinger, Myung-Geun Han, Weida Wu, Hongxin Yang, Seongshik Oh

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15029v1

摘要： 天然范德华超晶格 MnBi2Te4-(Bi2Te3)m 提供了一个最佳平台，可将拓扑和磁性结合在一个系统中，并具有最小的结构紊乱。在这里，我们表明该系统可以同时具有铁磁 (FM) 和反铁磁 (AFM) 级数，并且可以通过两种不同的方式控制这些磁级：通过改变 Mn-Mn 距离同时保持 Bi2Te3/MnBi2Te4 比率恒定，或者反之亦然。反之亦然。我们通过创建由 Bi2Te3 和 MnBi2Te4 层组成的原子工程夹层结构来实现这一目标。我们表明，AFM 阶数完全由 Mn-Mn 距离决定，而 FM 阶数仅取决于总体 Bi2Te3/MnBi2Te4 比率，而与 MnBi2Te4 层之间的距离无关。我们的结果揭示了 AFM 和 FM 阶次的起源，并为如何操纵磁阶提供了见解，不仅适用于 MnBi2Te4-Bi2Te3 系统，也适用于其他磁拓扑材料。

从金刚石浅点缺陷到水中的光致电荷注入

分类： 材料科学

作者： Kang Xu, Daniela Pagliero, Gabriel I. Lopez Morales, Johannes Flick, Abraham Wolcott, Carlos A. Meriles

发布时间： 2024-07-21

链接： http://arxiv.org/abs/2407.15019v1

摘要： 由于其低或负的表面电子亲和力和化学惰性，金刚石作为固液界面光激发产生的溶剂化电子的来源材料而受到广泛关注。不幸的是，其宽带隙通常强制使用紫外线范围内的波长，因此使实际应用变得复杂。在这里，我们探究了被单晶金刚石表面包围的水的光电流响应，该表面被设计为容纳浅氮空位（NV）中心。我们在整个可见光范围内以及波长高达 594 nm 的情况下观察到金刚石诱导光电流产生的清晰特征。作为激光功率函数的实验表明，NV 中心和其他共存缺陷（可能以表面陷阱的形式）有助于载流子注入，尽管我们发现 NV 在高照明强度的限制下主导系统响应。鉴于我们对近表面 NV 中心和相邻点缺陷的了解不断加深，这些结果为金刚石-液体界面在流体中光载流子引发的化学和自旋过程中的应用开辟了新的视角。

剪切颗粒材料的多维记忆

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Chloe W. Lindeman

发布时间： 2024-07-20

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14966v1

摘要： 为了探索颗粒材料可以记住多维训练的哪些特征，测量了小型二维水凝胶球体对两种独立类型的剪切的响应。通过应用几个相同的剪切循环（单一剪切类型或两种类型的组合）来训练填料。然后使用标准协议读出内存，该协议能够将内存显示为读出达到训练应变点的尖点。读出记忆的能力不仅对所应用的变形类型敏感，而且对不同类型训练的执行顺序也敏感。这些结果强调了将记忆视为通过相空间的学习路径的重要性，而不是单一的记忆值（幅度）。

低温自旋玻璃态亚铁磁性六方Mn$_2$CuGe Heusler合金

分类： 材料科学

作者： Abhinav Kumar Khorwal, Sonu Vishvakarma, Sujoy Saha, Debashish Patra, Akriti Singh, Surajit Saha, V. Srinivas, Ajit K. Patra

发布时间： 2024-07-20

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14950v1

摘要： 使用粉末 X 射线衍射、直流磁化、磁弛豫、磁记忆效应和比热测量，对多晶 Mn$_2$CuGe Heusler 合金的结构、静磁和非平衡动力学特性进行了广泛的实验研究。结构研究表明，该合金以混合六方晶体结构（空间群 P3c1（编号 158）和 P6$_3$/mmc（编号 194））结晶，晶格参数 a = b = 7.18(4) $\mathring{ A}$ 和 c = 13.12(4) $\mathring{A}$ 为多数阶段。直流磁化分析揭示了 T$_C$ $\approx$ 附近的顺磁到亚铁磁相变，并在 $\approx$ 250 K 处进行磁化补偿，以及 T$_P$ $\approx$ 附近的自旋玻璃转变25.6 K。亚铁磁体的 N'eel 理论支持所研究合金的亚铁磁性质，并且根据该理论估计的 T$_C$（$\约$ 687 K）与从直流磁化数据获得的结果一致。通过磁弛豫和记忆效应实验对非平衡自旋动力学的详细研究表明，系统通过许多中间状态和显着的磁记忆效应而演化。此外，热容测量表明电子对比热容的贡献很大，这表明由于竞争的磁相互作用而导致强烈的自旋波动。所有观察结果都呈现出 Mn$_2$CuGe 中的自旋玻璃行为，这归因于铁磁和反铁磁相互作用的竞争可能引起的磁挫败。

Si 和 Ge 中的多型量子阱：二维六方夹杂物对电子能带结构的影响

分类： 材料科学

作者： Anna Marzegalli, Francesco Montalenti, Emilio Scalise

发布时间： 2024-07-20

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14918v1

摘要： 传统上被视为有害的晶体缺陷现在正在探索量子技术应用。这项研究的重点是硅和锗中的堆垛层错，在立方晶体内形成六方夹杂物，并创建改变电子特性的量子阱。通过对具有不同六角形层数的缺陷结构进行建模，我们计算了形成能和电子能带结构。我们的结果表明，Si 和 Ge 中的六方夹杂物表现出直接带隙，随夹杂物厚度的变化而变化，有效地起到量子阱的作用。我们发现Ge夹杂物具有直接带隙并形成I型量子阱。这项研究凸显了操纵扩展缺陷来设计硅和锗光电特性的潜力，为先进电子和光子器件应用提供了新途径。

解开二维界面上的电子和声子热传输

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 应用物理

作者： Linxin Zhai, Zhiping Xu

发布时间： 2024-07-20

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14898v1

摘要： 跨材料界面的电和热传输是半导体技术中二维电子学的关键，但它们之间的关系仍然很大程度上未知。我们报告了一种分离电子和声子对二维界面热导的贡献的理论建议，该建议通过非平衡格林函数计算和石墨烯-金接触的分子动力学模拟得到了验证。我们的结果表明，虽然金属-石墨烯界面对于电子和声子都是透明的，但非共价石墨烯界面会阻止电子隧道超出两层，但不会阻止声子传输。这表明可以通过测量不同石墨烯层界面上的传输来对维德曼-弗朗兹定律进行实验测试。

铁电 HZO 中的小信号电容：机制和物理见解

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Revanth Koduru, Atanu K. Saha, Martin M. Frank, Sumeet K. Gupta

发布时间： 2024-07-20

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14887v1

摘要： 本研究对铁电体中小信号电容的物理机制进行了理论研究，重点关注氧化铪锆。利用基于时间的 Ginzburg Landau 形式主义的二维多晶粒相场仿真框架，我们仿真了金属-铁电体-绝缘体-金属 (MFIM) 电容器的电容。我们的仿真方法密切反映了测量铁电小信号电容的实验程序，并且结果复制了特征蝶形电容电压行为。我们深入研究了与介电响应和极化切换相关的铁电电容的组成部分，讨论了影响蝶形特性的主要物理机制 - 畴体响应和畴壁响应。我们探索它们的相互作用和对电容的相对贡献，并将它们与极化域特性相关联。此外，我们还研究了增加磁畴密度对铁电厚度缩放的影响，证明了极化电容成分（除了介电成分）的增强。我们进一步分析了不同铁电厚度下磁畴体积和磁畴壁响应的相对贡献。最后，我们建立了极化电容分量与电容存储窗口（用于存储应用）的关系，并揭示了最大存储窗口对 HZO 厚度的非单调依赖性。

基础织构镁合金的晶界偏析谱：从溶质修饰到结构转变

分类： 材料科学

作者： Anumoy Ganguly, Hexin Wang, Julien Guénolé, Aruna Prakash, Sandra Korte-Kerzel, Talal Al-Samman, Zhuocheng Xie

发布时间： 2024-07-20

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14848v1

摘要： 镁合金因其低密度和优异的机械性能而成为有前途的轻质结构材料。然而，它们有限的可成形性和延展性需要改进这些性能，特别是通过晶界偏析进行织构修改。尽管已经做出了巨大的努力，但镁多晶的偏析行为，特别是基础织构的偏析行为，在很大程度上仍未得到探索。在这项研究中，我们进行了原子模拟来研究稀固溶体和浓固溶体 Mg-Al 合金中的晶界偏析。我们计算了基底织构镁多晶的偏析能谱，突出了特定晶界位置（例如结）的贡献，并确定了新发现的双峰分布，该分布与随机取向多晶中发现的传统偏斜正态分布不同。使用混合分子动力学/蒙特卡罗方法，我们模拟了有限温度下的偏析行为，识别晶界结构转变，特别是在改变热力学变量时拓扑密堆积晶界相的变化分数和形态。这项研究的结果为基础织构晶界偏析和相形成提供了重要的见解，可以扩展到含有拓扑密堆积金属间化合物的其他相关镁合金。

超快自旋电流引起的太赫兹反铁磁动力学

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Sanjay René, Artem Levchuk, Amr Abdelsamie, Zixin Li, Pauline Dufour, Arthur Chaudron, Florian Godel, Jean-Baptiste Moussy, Karim Bouzehouane, Stéphane Fusil, Vincent Garcia, Michel Viret, Jean-Yves Chauleau

发布时间： 2024-07-20

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14787v1

摘要： 绝缘反铁磁体凭借其固有的太赫兹动力学以及长距离传输自旋信息的能力，预计将成为超快自旋电子学的主要主角。然而，在皮秒时间尺度上将自旋角动量直接转移到反铁磁绝缘体仍有待证明。在这里，通过研究铁磁金属/反铁磁绝缘体双层的超快行为，我们证明了反铁磁体中相干激发的产生与铁磁体退磁行为的调制相结合。这证实了磁信息确实可以在皮秒时间尺度传播为反铁磁自旋波，从而为磁信息的超快操纵开辟了一条途径。

新型立方碳同素异形体 yne-C$_{16}$ 的 DFT 研究

分类： 材料科学

作者： Samir F Matar

发布时间： 2024-07-20

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14777v1

摘要： 新型立方同素异形体 yne-C${16}$ 与 sp$^3$/sp$^1$ 碳杂化是基于晶体化学和量子密度泛函理论中的基础结构和能量相关量的计算而设计的密度泛函理论。对于以三角C(sp$^2$)为特征的srs-C8，yne-C${16}$被认为具有原始的C-C三键状单元和扭曲的四面体。新的同素异形体具有未知的拓扑结构。在基本构建单元中，C${16}$ 看起来像金字塔形分子，例如：PCl3，其中“：”象征磷孤对电子。通过这种概念化，C${16}$ 具有三个键对（类似 SIGMA）构成金字塔底部，而 C（三键）C 具有类似于磷电子孤对对 (:) 的大 PI 特征，位于金字塔的顶点。人们发现新的同素异形体在机械上（正弹性常数）和动态上（声子能带结构）都具有内聚性和稳定性。 C$_{16}$ 具有弱金属特性。

新的有限范围 Lennard-Jones 类模型的相变和团簇结构

分类： 材料科学

作者： Omar-Farouk Adesida, Sebastian Havens, Livia B. Partay

发布时间： 2024-07-19

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14688v1

摘要： 在当前的工作中，我们重新审视了 Wang 等人最近提出的对势。 (Phys. Chem. Chem. Phys. 10624, 22, 2020) 作为广泛使用的 Lennard-Jones 相互作用模型的明确定义的有限范围替代模型。他们提出的势能的优点是，它不仅在截止距离处平滑地趋于零，从而消除了截断的不同处理引起的不一致，而且通过改变势能的范围，它能够描述类似软物质的行为以及传统的“Lennard-Jones 式”特性。我们使用嵌套采样方法对势能面进行无偏采样，并绘制了一系列截断距离的压力-温度相图。我们发现能量最小值位置和相互作用范围之间的相互作用对凝聚相的结构和热力学性质具有复杂而强烈的影响。我们讨论了较长相互作用范围内液-气共存线和临界点的出现，以及熔线的相对较小的变化。我们给出了基态图，证明不同的密堆积多型相似乎是模型在不同压力和截止值下的全局最小值，类似于 Lennard-Jones 模型中所显示的情况。最后，我们使用不同的截止值，将一些 N < 60 簇的最低能量结构与已知的 Lennard-Jones 和莫尔斯势的最小值进行比较，揭示了与莫尔斯簇非常相似的行为。

钙钛矿镍酸盐中电子放大的电子-声子相互作用和金属-绝缘体跃迁

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Yong Zhong, Kyuho Lee, Regan Bhatta, Yonghun Lee, Martin Gonzalez, Jiarui Li, Ruohan Wang, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Sung-Kwan Mo, Chunjing Jia, Harold Y. Hwang, Zhi-Xun Shen

发布时间： 2024-07-19

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14682v1

摘要： 电子-电子和电子-晶格相互作用在驱动钙钛矿镍酸盐中金属-绝缘体转变中的相对作用，为了解固体中两个重要自由度的非平凡相互作用打开了一个罕见的窗口。最有前途的解决方案是通过执行高分辨率光谱测量来提取相变期间的电子和晶格贡献。在这里，我们以前所未有的精度对 Nd1-xSrxNiO3（x = 0 和 0.175）薄膜进行三维电子结构研究，其中低能费米学与模型模拟和第一性原理计算具有定量一致性。两个特征声子，即八面体旋转模式和呼吸模式，被证明与金属相中的电子动力学耦合，显示出沿能带色散的扭结结构，以及能谱中的驼峰特征。进入绝缘态，电子-声子相互作用被强电子相关性放大，将高温下的移动大极化子转变为基态的局域小极化子。此外，准粒子残留的分析使我们能够在 Nd1-xSrxNiO3 薄膜中建立传输光谱对应关系。我们的研究结果证明了电子关联增强的电子-晶格相互作用对于稳定钙钛矿镍酸盐中的绝缘相的重要作用。

莫尔超晶格的 Wannier-Stark 光谱的光学吸收和发射

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Vo Tien Phong, Francisco Guinea, Cyprian Lewandowski

发布时间： 2024-07-19

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14670v1

摘要： 使用基于非阿贝尔贝里连接的形式主义，我们探索了二维超晶格中万尼尔-斯塔克光谱的量子几何特征。斯塔克能量可以写为 \textit{带内} Berry 相，而齐纳隧道由 \textit{带间} Berry 连接给出。我们建议带间杂化引起的间隙可以通过太赫兹光​​学吸收和发射光谱来探测。这与现代莫尔条纹材料尤其相关，其中微带经常在光谱上纠缠，导致万尼尔-斯塔克体系中强烈的带间杂化。此外，由于其较大的超晶格常数，可以使用目前可用的技术在这些材料中获得低场和高场状态。重要的是，即使在中等电场下，我们发现受激发射也可以主导吸收，从而提高了在实际相关参数范围内产生激光的可能性。

2.5 维量子异质结构中的电荷密度波

分类： 超导, 材料科学

作者： F. Z. Yang, T. T. Zhang, F. Y. Meng, H. C. Lei, C. Nelson, Y. Q. Cai, E. Vescovo, A. H. Said, P Mercado Lozano, G. Fabbris, H. Miao

发布时间： 2024-07-19

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14661v1

摘要： 电荷密度波（CDW）及其与相关量子态和拓扑量子态的相互作用是凝聚态物质研究的前沿。 4$H_{b}$-TaS$_2$是CDW有序量子异质结构，由莫特绝缘1T-TaS$_2$和伊辛超导1H-TaS$_2$交替堆叠而成。虽然在大量 1T-TaS$_2$ 和 2H-TaS$2$ 中分别观察到了 $\sqrt{13}\times\sqrt{13}$ 和 3$\times$3 CDW，但 CDW 及其关键作用4$H{b}$-TaS$2$ 中的非常规超导问题仍未解决。在这封信中，我们揭示了 1T 层中的 2 维 (2D) $\sqrt{13}\times\sqrt{13}$ 手性 CDW 和 1H 中的 2D 2$\times$2 CDW 单元内耦合和 1H' 层 4$H{b}$-TaS$2$。我们的结果建立了 4$H{b}$-TaS$_2$ 一种新颖的 2.5D 量子异质结构，其中 2D 量子态从 3D 晶体结构中出现。

水凝胶填料的多体有限元模型：剪切的线性响应

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Ahmed Elgailani, Craig E Maloney

发布时间： 2024-07-19

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14639v1

摘要： 我们研究了水凝胶颗粒堆积的多体有限元模型，使用 Flory-Rehner 本构定律来模拟膨胀聚合物网络的变形。我们表明，虽然压力 $\Pi$ 对有效体积分数 $\phi$ 的依赖关系实际上与整体式 Flory 材料相同，但剪切模量 $\mu$ 的表现却并非平凡。方式。 $\mu$ 从零开始随着 $\Pi$ 单调增加，并且在我们研究的最大 $\Pi$ 处保持低于整体 Flory 值的约 $80%$。颗粒内的局部剪切应变具有较大的空间变化。颗粒中心附近的局部应变都大致等于所施加的剪切应变，但接触面附近的局部应变要小得多，并且取决于面的方向。我们表明，小平面处颗粒之间的滑移很大程度上取决于小平面的方向，并且平均而言，与解析到小平面方向上的所施加剪切应变的分量成正比。这种滑移屏蔽了应力传递，并导致剪切模量相对于颗粒在小面上焊接在一起所获得的剪切模量有所降低。令人惊讶的是，考虑到小面滑移引起的剪切模量的降低以及颗粒本身内部局部剪切应变的空间变化，颗粒质心的变形相当均匀，德劳内三角形的应变仅具有阶次波动$\下午 5%$。这些结果将为通过平均场、有效介质类型的方法定量估计高度压缩填料的剪切模量开辟道路。

通过电场响应对分子和材料进行空腔奥本海默近似

分类： 化学物理, 材料科学, 计算物理, 量子物理学

作者： John Bonini, Iman Ahmadabadi, Johannes Flick

发布时间： 2024-07-19

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14613v1

摘要： 我们提出了一种从头计算方法，用于计算与光腔光子模式耦合的分子和固体的振动极化子和声子极化子光谱。我们证明，如果在腔玻恩-奥本海默近似（CBOA）水平上处理腔光子模式与核和电子自由度的相互作用，则光谱可以用物质对电场和核位移的响应来表达，在标准密度泛函微扰理论 (DFPT) 实现中很容易获得。在此框架中，无需额外的电子结构计算即可获得一系列腔参数的结果，从而能够对各种参数进行高效计算。此外，这种方法使得结果能够更容易地根据更熟悉的与腔无关的分子电场响应特性来解释，例如进入振动极化子计算的极化率和玻恩有效电荷。利用体绝缘系统相应的电场响应特性，我们还可以获得二维（2D）绝缘体的$\Gamma$点声子极化子谱。给出了一系列空腔耦合分子和二维晶体系统的结果来演示该方法。

EuZn2Sb2 中顺磁自旋简并提升的观察

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Milo X. Sprague, Sabin Regmi, Barun Ghosh, Anup Pradhan Sakhya, Mazharul Islam Mondal, Iftakhar Bin Elius, Nathan Valadez, Bahadur Singh, Tetiana Romanova, Dariusz Kaczorowski, Arun Bansil, Madhab Neupane

发布时间： 2024-07-19

链接： http://arxiv.org/abs/2407.14481v1

摘要： 总而言之，时间反转和空间反转对称性导致晶体中电子态的两倍自旋简并性。在中心对称材料中，可以通过引入磁性（通过外部施加的场或通过内部磁化）来消除这种简并性。然而，即使在顺磁相，自旋的相关排列也可以提高电子态的自旋简并性。在这里，我们通过结合高分辨率角分辨光电子能谱测量和第一原理计算，对铕三元磷化物 EuZn2Sb2 的电子能带结构进行了深入研究。对一系列入射光子能量和样品温度下的光电发射线形的分析表明，顺磁相中存在带自旋简并提升。我们的 ARPES 结果与理论铁磁相计算结果非常吻合，这表明了系统中铁磁涨落的重要性。通过我们的计算，我们预测 EuZn2Sb2 中的自旋极化带会生成一对 Weyl 节点。我们对 EuZn2Sb2 中能带分裂的观察为在缺乏长程磁序的情况下实现时间反转对称性破缺物理提供了关键的一步。